Einn af eiginleikum vatns er að leysa upp önnur efni, s.s. sölt og steinefni. Í sjónum má finna gríðarmikinn fjölda efna og efnasambanda en magn þeirra og dreifing er afar mismunandi. Efnum sjávar má skipta í 5 aðalflokka: sölt, næringarsölt, uppleystar lofttegundir, snefilefni og efni í sviflausn. Kolefniskerfi sjávar gegnir mikilvægu hlutverki við að vinna gegn breytingum á sýrustigi.
Sölt. Meðalselta sjávar er 35‰ sem þýðir að í 1000 kg af sjó eru 35 kg af söltum. Mikilvægast er natríumklóríð (NaCl) en rekja má yfir 99% af öllum söltum í sjónum til aðeins sex jóna (tafla 1.1). Styrkur þessara saltjóna er tiltölulega jafn bæði milli hafsvæða og með dýpt. Breytingar á styrk má nær eingöngu rekja til úrkomu og uppgufunar vatns. Á opnu hafi er styrkur þessara saltjóna hverrar um sig meiri en 1 mg/kg. Þessar jónir eiga það sameiginlegt að tíminn sem það tekur að bæta jafnmiklu magni af jónunum í sjóinn og er þar að finna, er gríðarlega langur – mun lengri en uppblöndunartími sjávar, sem er um 1000 ár. Með öðrum orðum má segja að uppsprettur og svelgir þessara efna séu lítilvirkir miðað við magn efnanna í sjónum og hafi því lítil áhrif á styrk þeirra.
Tafla 1.1. Sjávarsölt, tegundir jóna og þyngdarhlutföll| Jón | Þyngd í sjó |
|---|---|
| Klór (Cl-) | 55,1% |
| Natríum (Na+) | 30,6% |
| Súlfat (SO42-) | 7,7% |
| Magnesíum (Mg2+) | 3,7% |
| Kalsíum (Ca2+) | 1,2% |
| Kalíum (K+) | 1,1% |
Næringarsölt sjávar eru að langmestu leyti köfnunarefni (N) og fosfór (P) á jónaformi. Þau eru nauðsynleg öllum sjávarplöntum til vaxtar og viðgangs. Kísill (Si) er ekki næringarefni í sama skilningi en er nauðsynlegur sumum tegundum lífvera. Hann er því líka talinn með næringarsöltum. Styrkur þessara efna er mjög breytilegur í hafinu og oftast langt undir 1 mg/kg. Þessi efni eru það sem kallað er lífhverful (e. bio-limiting), sem þýðir að þau geta eyðst í yfirborðslögum sjávar af völdum lífvera. Þá getur gróðurvöxtur nánast stöðvast.
Uppleystar lofttegundir í sjó eru bæði lofttegundir sem algengar eru í lofthjúpnum eins og köfnunarefni, súrefni, koldíoxíð og argon og óalgengar lofttegundir. Allar lofttegundir andrúmsloftsins finnast uppleystar í hafinu. Hlutföllin eru þó talsvert ólík því sem gerist í andrúmsloftinu. Til að mynda er hlutfallslega meira af bæði súrefni og koldíoxíði í sjó en í andrúmsloftinu en minna er af köfnunarefni, sjá töflu 1.2.
Tafla 1.2. Hlutfall helstu lofttegunda í andrúmalofti og jafnvægisstyrkur í sjó (selta 35‰, 20°C).| Lofttegund | Hlutfall í andrúmslofti | Jafnvægisstyrkur í sjó |
|---|---|---|
| Köfnunarefni (N2) | 78,1% | 418 (µmol/kg) |
| Súrefni (O2) | 21,0% | 225 (µmol/kg) |
| Argon (Ar) | 0,9% | 11,0 (µmol/kg) |
| Koldíoxíð (CO2) | 0,04% | 11,6 (µmol/kg) |
Leysni lofttegunda í hafinu er háð seltu og hitastigi. Lofttegundir leysast best upp í köldum og lítið söltum sjó, en þegar selta og hitastig hækka, lækkar styrkur uppleystra lofttegunda. Súrefni er sú lofttegund sem mest hefur verið rannsökuð í hafinu. Styrkur súrefnis er mjög breytilegur og geta mælingar á súrefni veitt margs konar upplýsingar um uppruna sjávar og endurnýjun, lífsstarfsemina í efstu sjávarlögum sem og niðurbrot og oxun lífrænna efna í djúplögum. Í yfirborðslögum fer styrkur súrefnis eftir hitastigi og er því breytilegur eftir árstíma á svæðum utan hitabeltisins. Súrefni myndast við ljóstillífun og eyðist við öndun og sundrun lífrænna efna. Þessi tvö gagnstæðu ferli (ljóstillífun og öndun/sundrun) eru aðalorsök staðbundinna breytinga á súrefni í hafinu. Í ljósnæma laginu getur ljóstillífun valdið talsverðri yfirmettun súrefnis. Á öllum dýptum eyðist súrefni vegna öndunar dýra, plantna og örvera sem og vegna oxunar á lífrænum leifum. Á opnu hafi sjá láréttir og lóðréttir straumar og blöndun vegna óreglulegra, tilviljanakenndra hreyfinga sjávar til þess að súrefnisforðabúrið tæmist ekki. Á innilokuðum hafsvæðum, s.s. í Svartahafi og í þröskuldsfjörðum, getur súrefnisforðinn klárast algerlega í neðri sjávarlögum. Þá getur niðurbrot (sundrun) lífrænna efna orðið loftfirrt og eitraðar lofttegundir eins og ammoníak og brennisteinsvetni myndast. Slíkt getur einnig gerst vegna mengunar (sjá kafla 5.2).
Snefilefni eru efni sem er að finna í örlitlu magni í sjónum. Um er að ræða ýmsa málma og lífræn efnasambönd. Snefilmálmarnir geta verið á formi einfaldra jóna, jónapara, samsettra efnasambanda eða sem hringsambönd málma og lífrænna efna. Uppleyst lífræn efni í hafinu verða aðallega til við niðurbrot fastra lífrænna efna í sjónum, en geta einnig verið upprunnin á landi. Sum þessara efna eru tilkomin vegna mannlegra athafna og meðal þeirra eru fjölmörg algeng mengunarefni. Styrkur snefilefna er yfirleitt langt undir 1 mg/kg.
Efni í sviflausn eru föst efni sem svífa um í sjónum eða mynda grugg. Stærð agnanna er mjög breytileg, eða allt frá því að vera meira en 1 mm í þvermál, niður í að vera 0,1-10 µm. Þessi efni finnast alls staðar í hafinu en eru mest áberandi á strandsvæðum og við árósa.
Kolefniskerfi sjávar
Kolefniskerfi sjávar gefur sjónum allmikla „dúahæfni“, eða „buffer-eiginleika“ eins og það er stundum kallað, þ.e.a.s kerfið vinnur gegn breytingum á sýrustigi sjávar. Sá eiginleiki er mjög mikilvægur fyrir ýmsar lífverur í hafinu sem eru næmar fyrir jafnvel smávægilegum breytingum á sýrustigi.
Kolefni er að finna í sjónum sem koldíoxíð (CO2), kolsýra (H2CO3), bíkarbónat (HCO3–) og karbónat (CO32-). Þessi mismunandi form kolefnis eru í jafnvægi hvert við annað og við vetnisjónir (H+) í sjónum. Langstærstan hluta kolefnisins er að finna sem karbónat og bíkarbónat. Líffræðilegir ferlar, s.s. ljóstillífun (tekur upp koldíoxíð) og öndun (gefur frá sér koldíoxíð), leika stórt hlutverk varðandi breytingar á magni koldíoxíðs í sjó. Þegar koldíoxíð leysist upp í sjónum hvarfast það við vatn og myndar kolsýru:
CO2(g) ↔ CO2(aq) (uppleysing)
CO2(aq) + H2O ↔ H2CO3 (myndun kolsýru)
Kolsýran brotnar mjög hratt niður í vetnisjónir (H+) og bíkarbónat (HCO3–).
H2CO3 ↔ HCO3– + H+
Bíkarbónat getur brotnað frekar niður í karbónat og vetnisjón.
HCO3– ↔ CO32- + H+
Karbónat gengur svo í samband við kalsíum og myndar kalk (kalsíumkarbónat).
Ca2+ + CO32- ↔ CaCO3
Efnahvörfin geta gengið í báðar áttir – þess vegna eru örvarnar (↔) í báðar áttir. Þau eru drifin áfram af breytingum í styrk koldíoxíðs í sjónum en sýrustig, hitastig, selta og basavirkni hafa einnig áhrif. Nánar verður fjallað um áhrif losunar koldíoxíðs á kolefniskerfi sjávar í kafla 3.6.