Sea water - Kaisui (English spelling)

Japanese: 海水 - かいすい（英語表記）sea water

The most basic component of the ocean. Earth is also called the water planet because it has a large amount of water near the surface. Water near the surface exists in various forms, such as seawater, continental ice, lake and river water, and water vapor in the atmosphere. Of these, seawater is by far the largest in terms of volume, with an estimated volume of 1.37 billion cubic kilometers and weight of 1.41 trillion megatons, accounting for 98.3% of the total water near the surface. Water vapor evaporating from the vast ocean surface eventually becomes precipitation and returns to the ocean either directly or by flowing over the surface. This cycle is estimated to occur approximately once every 10 days. Natural water near the surface circulates through repeated processes of evaporation, precipitation, freezing, and melting, changing form from gas phase to liquid phase to solid phase. This movement of water keeps the surface climate mild, brings about precipitation, and plays a role in regulating the biological environment on Earth.

[Tsutomu Akiyama]

Seawater Generation

There are several hypotheses about how seawater formed on the Earth's surface. The most widely supported theory at present is that it was the gradual formation of water during geological time. To summarize this theory, after completing the accumulation process, the Earth's interior was heated, and the moisture from the hydrated minerals inside the Earth erupted to the surface as water vapor along with other volatile components. When the Earth's crust cooled and its surface temperature fell below 100°C, the water vapor condensed into water and began to accumulate in depressions in the crust, gradually accumulating over the long geological time to form the primeval seawater. This primeval seawater was a highly acidic solution. However, repeated evaporation and condensation brought it into contact with the basaltic rock of the Earth's crust, dissolving cations such as sodium, potassium, calcium, magnesium, iron, and aluminum, neutralizing the seawater. Meanwhile, carbon dioxide, hydrochloric acid, sulfurous acid (sulfur dioxide), and nitrogen gas, which were erupted by volcanic and hot spring activity, dissolved into the seawater, supplying elements equivalent to anions. This primordial seawater was formed about 3 billion years ago, when the origin of life was born in the seawater. After that, the seawater repeatedly underwent precipitation, dissolution, and alteration, and it is believed that, influenced by biological activity, seawater similar to that of today was formed about 600 million years ago. This idea is that seawater and the atmosphere did not exist when the Earth was first formed, but rather gradually formed and evolved from volatile components in rocks during the Earth's evolution.

As clues to infer the process of the Earth's formation, there are methods such as determining the age of past remains such as fossils and analyzing the crust and volcanic gases, but there are also hopes for a more accurate elucidation of the formation of seawater.

[Tsutomu Akiyama]

Physical properties of seawater

In general, the physical properties of seawater change under the influence of temperature, salinity, and pressure. Seawater differs from pure water in that it contains approximately 3.5% salts by weight. Therefore, apart from this point, the physical properties of seawater are basically based on those of pure water. General characteristics of the physical properties of pure water include (1) high specific heat and heat capacity, (2) high boiling point and melting point, (3) high dissolution of substances, and (4) high surface tension, and these properties are also common to seawater. On the other hand, density, electrical conductivity, osmotic pressure, etc. are greatly affected by salinity, and therefore differ greatly between seawater and pure water. This can be said to be a characteristic of seawater.

(1) Density The number of grams per cubic centimeter of seawater is called the density of seawater. Since specific gravity is the mass ratio of a substance to the mass of pure water at 4°C, in the case of seawater, density and specific gravity are the same value. Seawater density is a function of salinity, water temperature, and water pressure, and the density that seawater has at the location where it exists is called in situ density. Since in situ density is in a relatively narrow range of 1.000 to 1.031, for convenience we use sigma- T (σ _t ), defined by the following equation. In the equation, ρ _st,p is a function of depth ( P ).

σ _t ＝(ρ _st,p －1)×1000
For example, if we consider seawater with a salinity of 35 psu (psu stands for practical salinity unit), a temperature of 20°C, and a pressure of 1 atmosphere (sea level), the in situ density is 1.02478 and sigma- T is 24.78. Seawater density can be measured directly using a precision float scale, but in practice the salinity of seawater is determined by measuring the electrical conductivity of seawater at constant temperature and pressure, and then the in situ density is accurately calculated taking into account the in situ water temperature and pressure. In oceanography, the in situ density of seawater is an important quantity for calculating ocean currents through mechanical calculations.

(2) Vapor pressure, boiling point, and freezing point The vapor pressure of seawater is somewhat lower than that of pure water at the same temperature, and the degree of decrease in vapor pressure is proportional to the salinity. The boiling point of pure water is 100°C, but in the case of seawater, the vapor pressure is lower than that of pure water, so the boiling point exceeds 100°C. This is called boiling point elevation. In the case of seawater with a salinity of 35 psu, the vapor pressure decrease at 100°C is 15.23 mm of mercury, and the boiling point elevation is 0.56°C. The freezing point of seawater is the temperature at which the vapor pressure of seawater and ice becomes equal, and because the vapor pressure of seawater is lower than that of pure water, it falls below 0°C. This is called freezing point depression (freezing point depression). In the case of seawater with a salinity of 35 psu, the freezing point is -1.91°C. In the real ocean, even when the seawater temperature reaches the freezing point, it sometimes does not freeze and a state of supercooling is observed.

(3) Osmotic pressure Seawater has a greater osmotic pressure than pure water. The magnitude is linearly proportional to the amount of freezing point depression and increases with salinity. The osmotic pressure of seawater with a salinity of 35 psu and a temperature of 4°C is approximately 23 atmospheres. Marine organisms exchange water with seawater due to the difference in osmotic pressure through the semipermeable membranes of their cells. Therefore, the osmotic pressure of seawater is closely related to the physiological functions of marine organisms. If a sudden change in seawater salinity occurs in coastal waters, organisms may be unable to cope with the large gain or loss of water in their bodies and may die.

(4) Specific heat The specific heat of seawater is lower than that of pure water, and decreases as the salinity increases. There is a distinction between the specific heat at constant pressure under constant pressure and the specific heat at constant volume under constant volume. For seawater with a salinity of 35 psu and a temperature of 17.5°C, the specific heat at constant pressure is 0.932.

(5) Thermal conductivity Thermal conductivity is generally expressed as the ratio of the amount of heat flowing to the temperature gradient in the direction of the flow. In both pure water and seawater, the thermal conductivity increases in a linear proportional relationship with increasing temperature. The thermal conductivity of seawater is somewhat lower than that of pure water, and in seawater with a salinity of 35 psu, it is about 4.2% lower than that of pure water.

(6) Electrical Conductivity The salts dissolved in seawater are almost completely dissociated into ions to form an electrolyte solution, so the electrical conductivity of seawater is orders of magnitude greater than that of pure water. Electrical conductivity is a function of water temperature and salinity, and in the case of seawater, it increases linearly with increasing salinity. If the temperature is kept constant, the electrical conductivity of seawater is a function only of salinity, so a method of measuring the specific electrical conductivity of seawater to determine salinity is widely used.

(7) Viscosity The viscosity of stationary seawater decreases rapidly as the water temperature rises. This molecular viscosity is slightly greater in seawater than in pure water. In the real ocean, seawater is in motion, so eddy viscosity, which is much greater than molecular viscosity, is important.

(8) Surface tension The surface tension of seawater decreases as the water temperature rises and increases as the salinity increases. The surface tension of seawater with a salinity of 35 psu and a temperature of 20°C is 73.5 dynes per centimeter. Surfactants such as detergent solutions flow into coastal waters as domestic wastewater, and in such cases the surface tension of the seawater decreases significantly.

(9) Refractive index of light When light enters the ocean from the atmosphere, the phenomenon in which the direction of travel changes at the ocean surface is called refraction of light. This phenomenon occurs because the optical density of the atmosphere and ocean water is different, and the speed at which light travels is different. If the angles between the boundary surface and the incident light and the refracted light are i and r , respectively, the refractive index n is

The refractive index of seawater varies slightly depending on the wavelength of light, but increases significantly as the water temperature decreases and the salinity increases. The relationship between the refractive index of seawater, water temperature, and salinity has been precisely determined experimentally, so if the refractive index of seawater is accurately measured while keeping the water temperature constant, the salinity of seawater can be calculated.

(10) Speed of sound Sound waves propagate much faster in seawater than in air. Also, because there is less absorption in the ocean compared to light or radio waves, they can reach much farther. Taking advantage of these propagation characteristics, sound waves are widely used in practical applications such as underwater communication, bathymetry, and fish detection. The propagation speed c of sound waves in the ocean is a function of the water temperature t , salinity s , and water pressure p of the propagation path, as follows: c = 1449.2 + 4.623 t - 0.0546 t ²
+0.1605 p +1.391( s -35)
It is expressed by the following formula. As is clear from this formula, the speed of sound in seawater is most greatly affected by fluctuations in water temperature. If the water temperature in the propagation path is 20°C, the salinity is 35 psu, and the water pressure is 1 atmosphere (sea surface), then the speed of sound is 1,520 meters per second. Taking advantage of the characteristics of sound waves in the ocean, such as changes in the propagation speed and refraction, a method has been developed to indirectly measure mid- and deep-water temperatures and ocean currents; this method is known as sonic tomography observation.

[Tsutomu Akiyama]

Chemical composition of seawater

Seawater contains about 3.5% inorganic salts by weight. These salts are almost completely dissociated into ions in the water, so seawater can be considered a kind of electrolyte solution. The total amount of salts dissolved in 1 kilogram of seawater expressed in grams is called seawater salinity, and was previously expressed in per mille (‰). In the 1970s, instruments such as CTDs (Conductivity-Temperature-Depth profilers) began to measure water temperature, electrical conductivity, and pressure in situ, and a new definition of salinity as a function of these three elements was needed. As a result, salinity was newly defined as a dimensionless number, psu (psu is an abbreviation for practical salinity unit), and has been used internationally since 1982. Eleven of the most abundant salts dissolved in seawater are called the main components of seawater, accounting for 99.99% of the total salts. The remaining 0.01% is collectively called trace elements. Seawater also contains oxygen, nitrogen, carbon dioxide, and other gases dissolved in it.

(1) Major components: Eleven types of elements and groups, such as chlorine and sodium, that are abundant in seawater. The salinity of seawater varies greatly depending on the location and season, but the ratio of the major components to each other is always constant for seawater anywhere in the world. Therefore, by quantifying any one of the major components, the amount and salinity of the other major components can be determined. In fact, the method of quantifying the amount of chlorine to determine salinity has been used for many years. In the 1970s, it was confirmed that there is a precise quantitative correlation between the salinity and physical quantities such as density, electrical conductivity, refractive index, and speed of sound of seawater, and these physical quantities have emerged as new methods for quantifying salinity. In particular, measuring the electrical conductivity of seawater is a precise and simple method that has been widely used.

(2) Trace elements It has now been confirmed that almost all elements are present in seawater. Even trace elements that are relatively abundant amount to less than 10 micrograms per liter of seawater. Trace elements in seawater are significant even in small quantities, as they serve as a source of nutrition for marine organisms and promote chemical reactions in the ocean. Unlike major elements, the abundance of trace elements varies greatly depending on location, depth, and season, as they are used by marine organisms. Based on this characteristic, the abundance and distribution of trace elements are analyzed and used in water mass analysis, biological productivity surveys, etc.

(3) Dissolved gases In addition to salts, seawater contains oxygen, nitrogen, carbon dioxide, argon, and other atmospheric components dissolved in gaseous form. The amount of dissolved gas in seawater is determined by the water temperature and salinity, and is called the saturation amount. Near the ocean's surface, dissolved gases reach nearly saturation levels due to exchange with the atmosphere through the ocean surface. Of the dissolved gases, oxygen is closely involved in a wide range of material cycles in the marine environment, such as the respiration of marine organisms, the oxidative decomposition of organic matter, and redox reactions in the ocean. Carbon dioxide coexists in seawater as an inorganic carbonate substance along with dissolved carbonates, and is a basic substance for the synthesis of organic matter in the ocean through photosynthesis. In addition, through exchange of carbon dioxide with the atmosphere through the ocean surface, it plays a role in regulating the change in the concentration of carbon dioxide in the atmosphere, which is increasing due to human influence, and has been attracting particular attention since the 1980s in relation to climate issues. Nitrogen is an inert element that is hardly involved in chemical reactions in the ocean, and is dissolved in a uniform amount that is nearly saturated from the sea surface to the seabed.

[Tsutomu Akiyama]

Natural radioactivity in seawater

Seawater contains many types of natural radioactive substances, but in very small amounts. The main radioactive nuclide is potassium ⁴⁰ K, which accounts for 97% of the natural radioactivity in seawater. In addition, there are other radioactive nuclides, such as uranium ²³⁸ U, ²³⁵ U, thorium ²³² Th, and radium ²³² Ra, in very small amounts. These undergo radioactive decay (disintegration) in succession to produce new nuclides. These radioactive substances have extremely long life spans, ranging from hundreds of millions to billions of years, the number of years it takes for their amount to be reduced to half by decay. ¹⁴ C and ³ H, which are radioactive isotopes of carbon and hydrogen, are produced in the upper atmosphere by nuclear reactions between atmospheric components and cosmic rays, and are supplied to the sea surface with precipitation. Since the half-life of ¹⁴ C is 5760 years and that of ³ H is relatively short at 12 years, the concentration of these nuclides in seawater can be accurately quantified to determine the age of the seawater. The results are used in research on the ocean circulation, etc.

[Tsutomu Akiyama]

Seawater and creatures

There are many organisms of all sizes living in the ocean. Among these organisms, phytoplankton and seaweed can directly absorb nutrients from seawater and grow. Phytoplankton, which exist in countless numbers on the ocean's surface, use the chlorophyll in their bodies and the energy of sunlight to synthesize organic matter through photosynthesis. This is the basis of biological production in the ocean. The multiplied phytoplankton are preyed upon by zooplankton, which are then preyed upon by small fish, which are then preyed upon by larger fish, and so on, forming the biological production mechanism for the entire ocean. Meanwhile, dead organisms sink and are decomposed by bacteria and other organisms, becoming inorganic components that are then reduced back into the seawater. In this way, substances in the seawater, such as phosphorus, nitrogen, silicon, and carbon, circulate between the seawater and organisms through biological action. Organic substances are also dissolved in the seawater as intermediate products between organisms and inorganic substances. In general, in the photosynthetic layer near the ocean's surface, the concentration of nutrients is low due to uptake by organisms, and increases with depth. When nitrogen and phosphorus become extremely scarce in the surface layer, it can become a limiting factor for primary biological production. Photosynthesis in the surface layer consumes carbonate substances to produce oxygen, and the process of decomposition of dead seawater also consumes oxygen, so dissolved oxygen in seawater is high at the surface and decreases with depth, reaching a minimum at a certain depth. Marine organisms take in nutrients as well as heavy metal elements in seawater. The concentrations of these elements inside organisms can become hundreds or thousands of times higher than in ambient seawater. Even if the concentrations of radioactive substances and harmful heavy metals in ambient seawater are low, attention must always be paid to the concentrations of harmful substances inside marine organisms when they are consumed by humans.

[Tsutomu Akiyama]

Use of seawater

Traditionally, seawater has been used as a resource to extract the main components, such as salt, magnesium, and bromine. Currently, it is more economically advantageous to extract salt from rock salt deposits on land, and extraction of salt from seawater is not common. Since the mid-1960s, there has been a trend toward making desalination of seawater more practical for use as a water resource. The trace elements in seawater are in much lower concentrations than those in minerals and rocks on land, and because it is not economically viable, it is hardly used. As land resources become depleted in the future, it may be possible to extract special elements such as uranium from seawater.

Another important aspect is the use of various energies that seawater possesses. Since the 1970s, technological development for utilizing ocean energy has progressed rapidly as a clean energy source to replace fossil fuels. The energy sources that can be used from the ocean include kinetic energy from waves, ocean currents, and tides, and thermal energy from differences in ocean water temperature. Wave energy is a method in which a floating body on the ocean surface extracts energy from the force of waves. From 1979 to 1985, a wave power generation device called "Kaimei" was used off the coast of Yura, Yamagata Prefecture, and tests of land-based power transmission were conducted as well as ocean experiments. In order to efficiently utilize ocean current energy, it is necessary to select a place with a high flow rate and a relatively stable flow axis, such as the Kuroshio Current. For this reason, observation methods, analysis, and evaluation of the kinetic energy of the Kuroshio Current are being promoted as an important pillar of research into its development and utilization. Tidal energy can be used in two ways: directly using the rise in tide level as potential energy, or using the tidal current converted into kinetic energy. At Lance in the Straits of Dover, a tidal power plant is in practical operation, taking advantage of the maximum tidal difference of 13.5 meters. Ocean thermal energy conversion (OTEC) is a method of extracting energy by utilizing the temperature difference between the hot surface water and the cold deep water. There are two methods of extracting energy: evaporating the warm surface water at low pressure, and evaporating liquids such as ammonia using the heat of the warm water. The cold deep water is used to condense the evaporated gas. The temperature difference between the surface and deep water must be 20°C or more, and low latitudes of approximately 30° or less are the target. It is the most promising method of steadily extracting energy, and development is being carried out in Japan as the Sunshine Project and the New Sunshine Project, and in the United States as the OTEC Project. Ocean energy is generally extracted as mechanical energy by a primary conversion device, and then converted into electricity or other forms according to the purpose of use by a secondary conversion device. For this reason, various marine structures are required, some of which are being used for experiments in actual sea areas. The extracted electricity is transported to the site of use and incorporated into the land power grid, or when used on-site, it is considered to be used as energy to create chemical substances such as hydrogen, ammonia, and methanol (methyl alcohol). Waves and ocean currents contain an enormous amount of energy, but their energy density is relatively low and fluctuates over time, so methods are needed to store energy over time and space and increase efficiency. In addition, the economic viability and environmental impact of using marine energy are being extensively evaluated and considered.

[Tsutomu Akiyama]

"Basic Marine Science Course 10: Chemistry of Seawater" by Horibe Sumio et al. (1972, Tokai University Press)" ▽ "The Science of Seawater" by Abe Tomosaburo (1975, NHK Publishing)" ▽ "The Origin of Seawater and the Atmosphere" by William Rubey et al., translated by Takeuchi Hitoshi (1976, Kodansha)" ▽ "The Future of the Sea and Humanity" edited by Teramoto Toshihiko (1990, Japan Society for the Promotion of Science, Maruzen Publishing)" ▽ "Introduction to Marine Ecology" by R. V. Tait, translated by Misu Hiroshi (1990, Kyushu University Press)" ▽ "The Sea and the Global Environment - The Frontier of Oceanography" edited by the Oceanographic Society of Japan (1991, University of Tokyo Press)" ▽ "The Science and Industry of Seawater" edited by the Japan Society of Sea Water Science and the Salt Science Research Foundation (1994, Tokai University Press)" ▽ "The Global Environment as Seen from the Sea" edited by Sudo Hideo (1994, Seizando Shoten)" ▽ "The Sea of Researchers" edited by Teramoto Toshihiko (1994, Seizando Shoten)" ▽ "Seawater Energy" by Suzuki Masahiro (1994, Tokai University Press)" ▽ "The Earth's Hydrosphere - Oceans and Land Water" edited by the Geological Society Research Group, written by Aoki Bin, Iuchi Yoshio, Iguchi Hiroo, Kato Yoshihisa, Suenaga Kazuyuki and others (1995, Tokai University Press)" ▽ "New Marine Science" revised edition by Nozawa Gen'emon (1999, Seizando Shoten)" ▽ "Chemical Image Formation of the Atmosphere and Oceans and Global Warming - Statements on Carbonates in the Global Environment" by Kitano Yasushi (2000, Tokai University Press)" ▽ "Science of the Sea - An Introduction to Oceanography" 2nd edition by Yanagi Tetsuo (2001, Koseisha Koseikan)" ▽ "An Introduction to the Molecular Ecology of Marine Microorganisms - From the Basics of Ecology to Molecules" by Ishida Yuzaburo (2001, Baifukan)" ▽ "Energy and Seawater" by Suzuki Masahiro (2002, Saku Shobo)" ▽ "Revised Edition: From Space to the Deep Seafloor - An Illustrated Introduction to the Ocean" edited by Toyoda Keisei and compiled by the Department of Marine Science, Tokai University (2003, Kodansha)" ▽ "An Introduction to Oceanography, 4th Edition, by Sekine Yoshihiko (2003, Seizando Shoten)"

Composition of seawater
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Composition of seawater

Depth of solar spectrum penetration in seawater
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Depth of solar spectrum penetration in seawater

Sound propagation speed in seawater
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Sound propagation speed in seawater

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

海のもっとも基本的な構成要素。地球は表面付近に多量の水分を有するので、水惑星ともよばれる。地表付近の水は、海水、大陸氷、湖沼・河川水、大気中の水蒸気など種々の形で存在する。このうち海水が量的には圧倒的に多く、その体積は13億7000万立方キロメートル、重量は1兆4100億メガトンと推定され、地表付近の水の総量の98.3％を占める。広大な海洋表面から蒸発する水蒸気はやがて降水となり、直接、または地表を流れてふたたび海洋へと戻る。その周期はほぼ10日に1回の割合と見積もられている。地表付近の天然水は蒸発、降水、結氷、融氷などの過程を繰り返し、気相←→液相←→固相と形を変えて循環している。この水の動きが地表の気候を温和にし、降水をもたらして、地球上の生物環境を調整する役割を果たしている。

［秋山　勉］

海水の生成

地球表面に海水がどのようにして生成したかについては、いくつかの仮説がある。現在もっとも広く支持されているのは、地質時代における水の累進的生成によるとする説である。この説を要約すると、集積過程を完了した地球は内部が加熱され、地球内部の含水鉱物の水分が水蒸気として他の揮発性成分とともに地表に噴出した。地殻が冷却され、その表面温度が100℃以下になると、水蒸気は凝縮して水となって地殻の窪(くぼ)みにたまり始め、長い地質時代を通じて徐々に累積されて原始海水が生成した。この原始海水は強い酸性溶液であった。しかし蒸発と凝縮を繰り返すうちに地殻の玄武岩質と接触して、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム、鉄、アルミニウムなどの陽イオンを溶かし出し、海水は中和された。一方、火山や温泉活動により噴出する炭酸ガス（二酸化炭素）、塩酸ガス、亜硫酸ガス（二酸化硫黄(いおう)）、窒素ガスなどが海水中へ溶け込み、陰イオンに相当する元素を供給した。この原始海水の生成は約30億年前であり、このころ海水中に生命の起源が誕生した。その後、海水中では物質の沈殿、溶解、変質などが繰り返され、生物活動の影響も受けて、約6億年前には現在とほぼ同様の海水が生成していたと考えられている。このように海水と大気は地球の生成当初には存在せず、地球の進化の過程で岩石中の揮発成分から徐々に生成し進化した、という考え方である。

　地球の生成過程を推測する手掛りとして、化石など過去の遺物の年代決定、地殻や火山ガスの分析などの方法があるが、海水の生成についてもより正確な解明が期待されている。

［秋山　勉］

海水の物性

一般に海水の物理的性質は水温、塩分、圧力の影響を受けて変化する。海水が純水と異なる点は、その中に重量比で約3.5％の塩類を含んでいることである。したがってこの点を除いては、海水の物理的性質は基本的には純水の物理的性質が基礎となる。純水の物理的性質の一般的特徴としては、(1)比熱・熱容量が大きい、(2)高い沸点・融点を有する、(3)物質をよく溶かす、(4)表面張力が大きい、などがあげられるが、これらの性質は海水にも共通している。一方、密度、電気伝導度、浸透圧などは塩分の影響を大きく受けるので、海水と純水とでは大きく異なる。これは海水の特性といえる。

(1)密度　海水1立方センチメートルの質量のグラム数を海水の密度という。比重は4℃の純水の質量に対するその物質の質量比であるから、海水の場合には密度と比重は同じ数値となる。海水の密度は塩分、水温、水圧の関数であり、その海水が存在する場所でもっている密度を現場密度という。現場密度は1.000～1.031の比較的狭い範囲にあるので、便宜上、次式によって定義されるシグマ‐T（σ_t）を使う。式中のρ_st,pは深さ（P）の関数である。

　　σ_t＝(ρ_st,p－1)×1000
たとえば塩分35psu（psuはpractical salinity unitの略、実用塩分単位）、水温20℃、圧力1気圧（海面）の海水を考えると、現場密度は1.02478でシグマ‐Tは24.78となる。海水の密度の測定は精密な浮き秤(ばかり)を使用して直接測定することもあるが、実際には定温・定圧下で海水の電気伝導度を測定して海水の塩分を求め、現場の水温・水圧を考慮して、計算により現場密度を正確に求める。海洋学において海水の現場密度は、力学計算により海流を算出するための重要な量である。

(2)水蒸気圧・沸点・氷点　海水の水蒸気圧は、同じ温度の純水に比べていくぶん低く、水蒸気圧低下の度合いは塩分に比例する。純水の沸点は100℃であるが、海水の場合には水蒸気圧が純水よりも低いために、沸点は100℃を超える。これを沸点上昇という。塩分35psuの海水の場合、100℃で水蒸気圧降下は水銀柱15.23ミリメートル、沸点上昇0.56℃となる。海水の結氷点は海水と氷の水蒸気圧が等しくなる温度で、海水の水蒸気圧が純水に比べて低いことから、0℃以下となる。これを氷点降下（凝固点降下）という。塩分35psuの海水の場合、結氷点は零下1.91℃となる。実際の海洋では、海水温が氷点に達しても結氷しないで過冷却の状態がみられることがある。

(3)浸透圧　海水は純水に比べて大きな浸透圧をもっている。その大きさは氷点降下量と一次的な比例関係にあって、塩分とともに増加する。塩分35psu、水温4℃の海水の浸透圧は約23気圧である。海洋生物は、細胞の半透膜を通じて浸透圧の差によって、海水との間で水分の交換を行っている。そのため海水の浸透圧は、海洋生物の生理作用と重要なかかわりをもつ。沿岸海域などで海水塩分の急変がおこると、生物は体内水分の多量の得失に対応できず、死に至ることがある。

(4)比熱　海水の比熱は純水に比べて低く、塩分が増加するにつれて低くなる。一定圧力下での定圧比熱と一定容積での定積比熱を区別して用いることがある。塩分35psu、水温17.5℃の海水では、定圧比熱は0.932となる。

(5)熱伝導度　熱伝導率は一般に流れる熱量と流れの方向の温度勾配(こうばい)の比で表される。純水も海水も温度の上昇とともに一次的比例関係で熱伝導度は増加する。海水の熱伝導度は純水に比べていくぶん低く、塩分35psuの海水では純水に比べて約4.2％小さい。

(6)電気伝導度　海水に溶けている塩類は、ほぼ完全にイオンに解離して電解質溶液となっているため、海水の電気伝導度は純水に比べて桁(けた)違いに大きい。電気伝導度は水温と塩分の関数であるが、海水の場合にはとくに塩分の増加とともに直線的に大きくなる。温度を一定にしておけば、海水の電気伝導度は塩分だけの関数となるので、海水の比電導度を測定して塩分を求める方法が広く実用化されている。

(7)粘性　静止している海水の粘性は水温の上昇とともに急激に減少する。この分子粘性は海水のほうが純水に比べてわずかに大きい。実際の海洋では海水が流動しているので、分子粘性よりもはるかに大きい渦(うず)粘性が重要である。

(8)表面張力　海水の表面張力は、水温が上昇すると減少し、塩分の増加とともに大きくなる。塩分35psu、水温20℃の海水の表面張力は1センチメートル当り73.5ダインとなる。生活排水として洗剤液などの表面活性物質が沿岸海域に流入しているが、このような場合には海面水の表面張力は著しく低下してしまう。

(9)光の屈折率　光が大気から海中に入射するとき、海面において進行方向を変える現象を光の屈折という。この現象は、大気と海水とでは光学的密度が異なり、光の進行速度が異なるためにおこる。境界面と入射光および屈折光との角度をi、rとすれば、屈折率nは

で表される。海水の屈折率は光の波長によってもわずかに変化するが、水温の低下や塩分の増加に伴って著しく大きくなる。海水の屈折率と水温、塩分の関係は実験的に精密に求められているので、水温を一定にして屈折率を正確に測定すれば、海水の塩分を求めることができる。

(10)音速　音波は海水中において空気中よりもはるかに速く伝搬する。また海洋中では光や電波に比べて吸収が少ないので、はるかに遠方まで到達する。この音波の伝搬特性を生かして海中通信、測深、魚群探査などの実用面でも広く音波が利用されている。海洋中の音波の伝搬速度cは、伝搬経路の水温t、塩分s、水圧pの関数で
　　c＝1449.2＋4.623t－0.0546t²
　　　＋0.1605p＋1.391(s－35)
という式で表される。この式より明らかなように、海水中の音速は、水温の変動にもっとも大きく影響される。いま伝搬経路の水温が20℃、塩分35psu、水圧を1気圧（海面）とすれば、音速は毎秒1520メートルとなる。海洋中における音波の伝搬速度の変化や屈折などの特性を利用して、中層、深層の水温や海流の間接的な測定法が開発され、音波断層観測法とよばれている。

［秋山　勉］

海水の化学成分

海水中には重量比にして約3.5％の無機塩類が溶けている。これらの塩類は水中でほぼ完全にイオンに解離しており、海水は一種の電解質溶液ともいえる。海水1キログラム中に溶けている塩類の総量をグラム数で表した数値を海水の塩分といい、従来パーミル（‰）で表していた。1970年代になって、CTD（電気伝導度水温水深計Conductivity-Temperature-Depth profiler）などの測器によって、現場での水温、電気伝導度、圧力が測定されるようになり、これらの3要素の関数として塩分を表わす新しい定義が必要となってきたことから、無次元の数値psu（psuはpractical salinity unitの略、実用塩分単位）として新たに塩分が定義され、1982年から国際的に使用されている。海水中に溶けている塩類のうち、量的に豊富な11成分を海水の主成分といい、塩類総量の99.99％を占める。残りの0.01％を総称して微量成分という。このほか海水は酸素、窒素、炭酸ガスなどを気体の状態で溶存している。

(1)主成分　海水中の塩素やナトリウムなど11種類の量的に豊富な元素や基をいう。海水の塩分は場所や季節によって大幅に変化するが、主成分相互の存在比は世界中のどこの海水についてもつねに一定である。したがって主成分のうちのどれか一成分を定量すれば、ほかの主成分の量や塩分を知ることができる。事実、塩分を知るために塩素量を定量する方法が長年使用されてきた。1970年代になって海水の密度、電気伝導度、屈折率、音速などの物理量と塩分の間には、それぞれ精密な量的相互関係があることが確かめられ、これらの物理量測定が新しい塩分定量法として登場してきた。なかでも海水の電気伝導度測定は、精密で簡便な方法として広く実用化されている。

(2)微量成分　現在ではほとんどすべての元素が海水中に存在することが確かめられている。量的に比較的多い微量元素でも、海水1リットル中に10マイクログラム以下である。海水中の微量成分は海洋生物の栄養源となったり、海洋中の化学反応を促進するなど、量的には少なくても存在の意義は大きい。微量成分の存在量は主成分の場合と違って、海洋生物に利用されたりするため、場所や深さあるいは季節によって大幅に変動する。この特性から、微量成分の存在量や分布の状況などを解析して、水塊分析や生物生産性の調査などに利用する。

(3)溶存気体　海水は塩類のほかに、大気の成分である酸素、窒素、炭酸ガス、アルゴンなどを気体の状態で溶存している。海水の気体溶存量は水温、塩分によって決まり、これを飽和量という。海の表面近くでは、溶存気体は海面を通じての大気との交換によってほぼ飽和量に達している。溶存気体のうち酸素は、海洋生物の呼吸作用、有機物の酸化分解、海洋中の酸化還元反応など、海洋環境中の広範な物質循環に密接に関与している。炭酸ガスは、溶けている炭酸塩類とともに無機炭酸物質として海水中に共存しているが、光合成作用による海洋の有機物合成の基礎物質である。また、海面を通じての大気との炭酸ガス交換により、人為的影響で増加する大気中の炭酸ガス濃度変化を調整する役割をもっていて、1980年代以降は気候問題との関連でとくに注目されている。窒素は不活性元素で海洋中の化学反応にほとんど関与せず、海面から海底までほぼ飽和に近い一様な量が溶存している。

［秋山　勉］

海水の天然放射能

海水中には多くの種類の天然放射性物質が微量であるが存在する。主要な放射性核種はカリウム⁴⁰Kで、海水の天然放射能の97％を占める。このほか、ごく微量であるがウラン²³⁸U，²³⁵U、トリウム²³²Th、ラジウム²³²Raなどの放射性核種が存在する。これらの系列で順次放射性壊変（崩壊）を繰り返して新しい核種を生成している。これらの放射性物質は、壊変によってその量が半分になるのに要する年月（半減期）が、数億年から数十億年と非常に長寿命である。炭素、水素の放射性同位体である¹⁴Cおよび³Hは、大気圏の上層で大気成分と宇宙線の核反応によって生成され、降水とともに海面に供給される。¹⁴Cはその半減期が5760年で、³Hは12年と比較的短いため、海水中のこれらの核種の濃度を正確に定量してその海水の年齢を決定する。その結果は海洋の大循環の研究などに利用されている。

［秋山　勉］

海水と生物

海洋中には大小さまざまの生物が生息している。これら海洋生物のうちで植物プランクトンや海藻類は、海水中の栄養成分を直接体内に取り込んで増殖することができる。海洋の表層に無数に存在する植物プランクトンは、その体内の葉緑素と太陽光線のエネルギーを利用し、光合成作用によって有機物を合成する。これが海洋の生物生産の基礎をなしている。増殖した植物プランクトンは動物プランクトンに、動物プランクトンは小形の魚類に、小形の魚類は大形の魚類にと次々に捕食されて、海洋全体の生物生産機構が成り立っている。一方、枯死した生物は、沈降しながらバクテリアなどによって腐敗分解され、無機の成分となってふたたび海水中に還元される。このように生物作用によって海水中のリン、窒素、ケイ素、炭素などの物質は、海水と生物の間を循環している。生物と無機物の中間生成物として、海水中には有機体の物質も溶存している。一般に海面近くの光合成層では、生物による取り込みのため栄養塩類の濃度は低く、深さとともに増加する。窒素やリンが表層で極端に少なくなると、生物基礎生産の制限因子となることがある。表層における光合成作用では炭酸物質を消費して酸素を生産し、枯死分解の過程では酸素を消費するので、海水中の溶存酸素は表層で多く、深さとともに減少して、ある深さで極小となる。海洋生物は栄養塩類のほか、海水中の重金属元素なども体内に取り込む。生物体内のこれらの元素の濃度が、環境海水中の濃度の数百倍、数千倍にも濃縮されることがある。放射性物質や有害重金属などの環境海水中の濃度が低くても、人間が食品とする場合には、海洋生物体内の有害物質の濃度にはつねに注意が必要である。

［秋山　勉］

海水の利用

海水を資源として利用することでは、従来主成分である食塩、マグネシウム、臭素などが採取されてきた。食塩は、現在では陸上鉱床の岩塩からの採取のほうが経済的に有利で、海水からの採取はあまり行われていない。1960年代なかば以降、海水の脱塩による水資源としての利用が、いっそう実用化される気運にある。海水中の微量成分は陸上の鉱物や岩石に比べてはるかに濃度が低く、経済的に採算がとれないので、ほとんど利用されていない。将来陸上の資源が枯渇するにつれて、ウランなど特殊な成分を海水から採取することも考えられよう。

　さらに重要な側面は、海水がもつ種々のエネルギーの利用である。1970年代以降は化石燃料にかわるクリーンエネルギーとして、海洋エネルギー利用の技術開発が急速に進展している。海洋のエネルギー源としては波浪、海流、潮汐(ちょうせき)などの運動エネルギーや、海水温度差などによる熱エネルギーが利用される。波浪エネルギーは、海面に浮かべた浮体が波によって受けた力をエネルギーとして取り出す方式である。1979（昭和54）～85年には、山形県由良(ゆら)沖で波力発電装置「海明」により、海域実験とともに陸上送電の試験が行われた。海流エネルギーを効率よく利用するためには、黒潮のように流速が大きく、流軸が比較的安定した場所を選ぶ必要がある。そのため黒潮のもつ運動エネルギーの観測手法と解析、評価が、黒潮開発利用研究の重要な柱として進められている。潮汐エネルギーは、潮位の上昇を直接位置のエネルギーとして利用する方法と、運動エネルギーに変換された形の潮流を利用する方法とがある。ドーバー海峡のランスでは、最大潮位差13.5メートルを利用して潮汐発電所が実用運転に入っている。海洋表層の高温水と深層の低温水との温度差を利用してエネルギーを取り出す方式が、海水温度差発電ocean thermal energy conversion（OTEC(オテック)）である。エネルギーの取り出し方式には、表層の温海水を低圧で蒸発させる方法、温海水の熱を利用してアンモニアなどの液体を蒸発させる方法などがある。深層の冷海水は蒸発させた気体の凝縮に使用される。表層と深層の温度差が20℃以上あることが必要であり、ほぼ30度以下の低緯度海域が対象となる。定常的にエネルギーを取り出す方法としてはもっとも有望で、日本ではサンシャイン計画、ニューサンシャイン計画、アメリカではOTEC計画として開発が進められている。海洋エネルギーは一般的に一次変換装置によって機械的エネルギーとして取り出され、その後二次変換装置によって利用目的に沿って電力その他の形に変換される。このため各種の海洋構造物が必要であり、一部は実海域で実験に使用されている。取り出された電力は利用地まで輸送されて陸上の電力網に組み込まれたり、現場で電力を使用する場合には、水素、アンモニア、メタノール（メチルアルコール）などの化学物質をつくるエネルギーとして考えられている。波浪や海流などはエネルギーの総量は莫大(ばくだい)であるが、エネルギー密度が比較的低く時間的にも変動するので、時間・空間的にエネルギーを蓄えて利用効率を高めるくふうが必要である。そのほか海洋エネルギー利用に関する経済性や環境に与える影響などが、広範に評価、検討されている。

［秋山　勉］

『堀部純男ほか著『海洋科学基礎講座10　海水の化学』（1972・東海大学出版会）』▽『阿部友三郎著『海水の科学』（1975・日本放送出版協会）』▽『ウィリアム・ルーベイほか著、竹内均訳『海水と大気の起源』（1976・講談社）』▽『寺本俊彦編『海と人類の未来』（1990・日本学術振興会、丸善発売）』▽『R・V・テイト著、三栖寛訳『海洋生態学入門』（1990・九州大学出版会）』▽『日本海洋学会編『海と地球環境――海洋学の最前線』（1991・東京大学出版会）』▽『日本海水学会・ソルトサイエンス研究財団編『海水の科学と工業』（1994・東海大学出版会）』▽『須藤英雄編著『海からみた地球環境』（1994・成山堂書店）』▽『寺本俊彦編著『研究者たちの海』（1994・成山堂書店）』▽『鈴木正弘著『海水エネルギー』（1994・東海大学出版会）』▽『地学団体研究会編、青木斌・井内美郎・井口博夫・加藤義久・末永和幸ほか著『地球の水圏――海洋と陸水』（1995・東海大学出版会）』▽『能沢源右衛門著『新しい海洋科学』改訂版（1999・成山堂書店）』▽『北野康著『大気・海洋の化学像形成と地球温暖化――地球環境における炭酸塩物質の発言』（2000・東海大学出版会）』▽『柳哲雄著『海の科学――海洋学入門』第2版（2001・恒星社厚生閣）』▽『石田祐三郎著『海洋微生物の分子生態学入門――生態学の基礎から分子まで』（2001・培風館）』▽『鈴木正弘著『エネルギーと海水』（2002・佐久書房）』▽『豊田恵聖監修、東海大学海洋学部編『改訂　宇宙から深海底へ――図説海洋概論』（2003・講談社）』▽『関根義彦著『海洋物理学概論』4訂版（2003・成山堂書店）』