Frage:
Warum hängt die Schallabsorption in Ozeanen vom pH-Wert ab?
Gabriel Cozzella
2016-06-29 19:23:34 UTC
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Ich habe "The Sixth Extinction: An Unnatural History" von Elizabeth Kolbert gelesen und dort kommentiert sie, dass ein hoher Gehalt an $ CO_ {2} $ in der Atmosphäre den pH-Wert der Ozeane senkt (was Sinn macht) und folglich verringert die Schallabsorption:

WARUM ist die Versauerung der Ozeane so gefährlich? Die Frage ist nur deshalb schwer zu beantworten, weil die Liste der Gründe so lang ist. Abhängig davon, wie eng Organismen in der Lage sind, ihre innere Chemie zu regulieren, kann die Ansäuerung grundlegende Prozesse wie Metabolismus, Enzymaktivität und Proteinfunktion beeinflussen. Da es die Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften verändert, verändert es die Verfügbarkeit wichtiger Nährstoffe wie Eisen und Stickstoff. Aus ähnlichen Gründen ändert sich die Lichtmenge, die durch das Wasser fällt, und aus etwas anderen Gründen ändert sich die Art und Weise, wie sich Schall ausbreitet. (Im Allgemeinen wird erwartet, dass die Versauerung die Meere lauter macht.)

Ich verstehe, dass die Schallabsorption von den Materialeigenschaften des Mediums abhängt, aber es ist für mich nicht trivial, dass mehr saures Wasser eine andere Absorption haben sollte als neutrales Wasser. Könnte jemand den physikalischen Mechanismus dahinter erklären?

(Ich bin mir nicht ganz sicher, ob dies hierher gehört, aber da es sich um Materialeigenschaften handelt, dachte ich, dass es hier besser passt als in Chemistry SE)

Zwei antworten:
John Rennie
2016-06-29 20:01:44 UTC
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Es ist kaum zu glauben, dass der pH-Wert einen Einfluss auf die Schallabsorption in Wasser hat.

Es gibt einige Reaktionen, die vom Druck beeinflusst werden, dh Druck verändert ihr Gleichgewicht. Ein Beispiel ist das Gleichgewicht zwischen Borsäure und dem Boration:

$$ B (OH) _4 \, ^ - + H ^ + \ rechter Pfeil B (OH) _3 + H_2O $$

Steigender Druck drückt die Reaktion nach rechts und absorbiert dabei Energie. Diese Energie stammt aus der Energie in der Schallwelle, so unwahrscheinlich, dass die chemische Reaktion Schall absorbiert. Wenn der Druck abgelassen wird, bewegt sich die Reaktion zurück nach links, aber die Energie wird freigesetzt, da Wärme nicht schallt. Das Nettoergebnis ist, dass Schallenergie in Wärme umgewandelt wird.

Das Problem mit dem gesenkten pH-Wert besteht darin, dass beim Verringern des pH-Werts das Gleichgewicht nach rechts verschoben wird, sodass weniger Borat und mehr Borsäure vorhanden sind. Dadurch bleibt weniger Borat übrig, um den Schall zu absorbieren. Ein niedrigerer pH-Wert bedeutet also eine geringere Schallabsorption.

Wenn Sie interessiert sind, gibt es einen Artikel darüber in Scientific American und eine strengere wissenschaftliche Veröffentlichung hier (leider nicht online verfügbar). Lemon hat diesen Link hilfreich bereitgestellt, Untersuchung der chemischen Schallabsorption in Meerwasser, und Googeln sollte Sie relevantere Veröffentlichungen finden.

Der Effekt ist sehr gering, nicht zuletzt, weil die Borsäure / Borat-Konzentrationen im Meerwasser gering sind. Der Schall breitet sich jedoch über große Entfernungen im Wasser aus - Hunderte von Kilometern. So kann bereits eine kleine Änderung der Wasserchemie messbar wirken. In dem ersten Artikel, den ich verlinkt habe, wird Folgendes erwähnt::

Die Schalldämpfung im Niederfrequenzbereich beträgt primär aufgrund der Borsäurerelaxation und ist eine Funktion des Meerwasser-pH.

(meine Betonung)

Ob dieser Effekt tatsächlich groß genug ist, um taube Delfine zu betäuben , ist umstritten.

[Dieses Papier] (http://scitation.aip.org/content/asa/journal/jasa/74/3/10.1121/1.389845) bietet ein detailliertes Modell der verantwortlichen chemischen Reaktionen.
Können Sie einen Hinweis auf die Stärke dieses Effekts geben?Für wie viel Absorption ist es verantwortlich und wie ist es mit dem Gesamtabsorptionskoeffizienten anderer Mechanismen zu vergleichen?
Gute Antwort!Und ich bin auch skeptisch gegenüber solchen Veränderungen, die zur Taubheit von Delfinen führen.Die Verringerung des pH-Werts wirkt sich viel stärker auf Korallen und Schalentiere aus.
Erstaunliche Antwort, danke (und Zitrone) für Ihre Zeit (und für die Referenzen).
Das Papier "leider nicht online verfügbar" scheint hier verfügbar zu sein: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1307/6/46/462007/meta
@Federico Das ist nur die Zusammenfassung.Die Konferenz stellt leider nicht die vollständigen Beiträge online.
Wenn also weniger saures Wasser mehr Energie absorbiert, würde dies für jede Form von Energie gelten, beispielsweise für kinetische Energie von etwas, das versucht zu schwimmen?Würde sich der pH-Wert auf die Schwierigkeit auswirken, im Wasser zu schwimmen?
@DCShannon: Ich habe noch nie die Mechanik des Schwimmens studiert, aber ich vermute, dass der Beitrag zum pH-Wert durch die pH-Änderung vernachlässigbar sein wird.Der Luftwiderstand wird von Trägheitskräften dominiert, d. H. Der Energie, die benötigt wird, um das Wasser aus dem Weg zu räumen.Ich nehme jedoch an, dass es im Prinzip einen Effekt geben würde, selbst wenn es ein unermesslich kleiner wäre.
docscience
2016-06-29 20:01:01 UTC
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Der Autor hätte in dieser Angelegenheit genauer sein oder zumindest eine Referenz liefern müssen.Die Schallgeschwindigkeit im Wasser hängt vom Volumenmodul und der Dichte des Wassers ab. In den offenen Ozeanen sind Salzgehalt, Tiefe (Druck) und Temperatur die Faktoren, die die Schallgeschwindigkeit am meisten beeinflussen.Ich war Hauptfach Meerestechnik und habe Kurse in physikalischer und chemischer Ozeanographie, Unterwasserinstrumentensystemen usw. besucht. Ich glaube nicht, dass ich jemals etwas gesehen habe, das den pH-Wert mit der Schallgeschwindigkeit in Verbindung bringt.

Vielleicht dachte der Autor, dass Änderungen des pH-Werts mit dem Salzgehalt zusammenhängen.Es besteht eine Verbindung.Aber "Die Meere lauter machen" scheint eine seltsame Aussage bezüglich der Geschwindigkeit des Klangs zu sein.Das ist eher ein Thema für die Schallabsorption , aber ich sehe auch nicht, wie der pH-Wert dies ändern könnte.

Um fair zu sein, erwähnt der Autor niemals die Schallgeschwindigkeit.


Diese Fragen und Antworten wurden automatisch aus der englischen Sprache übersetzt.Der ursprüngliche Inhalt ist auf stackexchange verfügbar. Wir danken ihm für die cc by-sa 3.0-Lizenz, unter der er vertrieben wird.
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