L'aigua de mar és una barreja d'aigua pura, 96.5% i 3.5% d'altres materials, com ara bé sals, gasos dissolts, substàncies orgàniques, i partícules no dissoltes. Les seves propietats físiques estan determinades principalment per la gran proporció d'aigua pura. Per tant, discutirem primer les propietats físiques de l'aigua pura.

L'aigua pura, en comparació amb fluids de composició similar, mostra propietats poc comunes. Això resulta de la particular estructura de la molècula d'aigua $H_2O$: els àtoms d'hidrogen porten una càrrega positiva, l'àtom d'oxigen dues càrregues negatives, però l'estructura de la molècula d'aigua és tal que les càrregues no estan neutralitzades (veure la figura 3.1; les càrregues estarien neutralitzades si l'angle fos 180° en lloc de 105°).

Les principals conseqüències de l'estructura molecular de l'aigua pura són les següents:

1. La molècula d'aigua és un dipol elèctric formant agregats de molècules (polímers), de 6 molècules en mitjana a 20ºC. Per tant, l'aigua reacciona als canvis més lentament que les molècules individuals; per exemple, el punt d'ebullició passa de -80°C a 100°C, el punt de congelació de -110°C a 0ºC.
Figura 3.2
2. L'aigua té un poder de dissosiació inusualment fort, és a dir, separa el material dissolt en ions elèctricament carregats (figura 3.2). Com a conseqüència, el material dissolt augmenta la conductivitat elèctrica de l'aigua. La conductivitat de l'aigua pura és relativament baixa, però l'aigua de mar és a mig camí entre l'aigua pura i el coure. A 20°C, la resistència de l'aigua de mar amb 3.5% de contingut de sal al llarg de 1.3 km és aproximadament igual a la de l'aigua pura sobre 1 mm.
3. L'angle de 105° està prop de l'angle d'un tetràedre, és a dir, una estructura amb quatre braços que emanen d'un centre amb angles iguals (109° 28'). Com a resultat, els àtoms d'oxigen en l'aigua intentan tenir lligats quatre àtoms d'hidrgen en una disposició tetraèdrica (Figura 3.1). Això s'anomena un "pont d'hidrogen", en contrast amb els ponts moleculars (iònics) i els ponts d'unió covalent. Els ponts d'hidrogen necessiten una energia d'enllaç de 10 a 100 vegades més petita que els enllaços moleculars, per la qual cosa l'aigua és molt flexible en la seva reacció als canvis de les condicions químiques.
Figura 3.3
4. Els tetraèdres formen malles de natura més ampla que altres empaquetats moleculars més compactes. Formen agregats d'una, dues, quatre i vuit molècules. A temperatures altes els agregats d'una i dues molècules dominen; a mesura que la temperatura cau els clusters grans comencen a dominar (Figura 3.3). Els grups més grans ocupen menys espai que el mateix nombre de molècules en agrupacions més petites. Com a resultat, la densitat d'aigua mostra un màxim a 4°C.

Les propietats físiques de la majoria de les substàncies mostren una variació uniforme amb la temperatura. En contrast, la majoria de les propietats físiques de l'aigua pura mostren un mínim a temperatures intermèdies. La velocitat del so mostra un màxim a 74°C (Taula 3.1).

Llistat d'algunes temperatures mínimes
La propietat física es dona en primer lloc seguida de la temperatura a la qual el apareix el mínim en ºC.
solubilitat de l'oxigen	80
volum específic	4
calor específic	34
solubilitat de l'hidrogen	37
compressibilitat	44
velocitat de la llum	-1
velocitat del so (màxim)	74

Quan es congela, totes les molècules de l'aigua formen tetraèdres. Això comporta una sobtada expansió del volum, és a dir, una disminució en la densitat. La fase sòlida de l'aigua és, per tant, més lleugera que la fase líquida, que és una propietat rara. Algunes conseqüències importants són:

1. El gel flota. Això és important per a la vida en llacs d'aigua dolça, ja que el gel actua com a aïllant contra un major pèrdua de calor, impedint la congelació de l'aigua des de la superfície fins al fons.
2. La densitat mostra una ràpida disminució quan ens acostem al punt de congelació. La consegüent expansió durant la congelació és una de les principals causes de l'erosió de les roques.
3. El punt de congelació disminueix amb la pressió. Com a conseqüència d'això, la fusió es produeix a la base de les glaceres, cosa que facilita la flux de la glacera.
4. Els ponts o enllaços d'hidrogen cedeixen amb la pressió, és a dir, sota la pressió el gel presenta propietats plàstiques. Com a conseqüència d'això, l'interior de gel de l'Antàrtida i de l'Àrtic flueixen, formen icebergs cap a l'exterior. Sense aquest procés, tota l'aigua acabaria en forma de gel en les regions polars.

El concepte de la salinitat

Com deiam abans, l'aigua de mar conté 3.5% de sals, gasos dissolts, substàncies orgàniques i partícules no dissoltes. La presència de sals influeix fins a cert punt en la majoria de les propietats físiques de l'aigua de mar (densitat, compressibilitat, punt de congelació, temperatura de la densitat màxima) però no les determina. Algunes propietats (viscositat, absorció de la llum) no són significativament afectades per la salinitat. (les partícules i el material dissolt afecten l'absorció de la llum a l'aigua del mar i això es fa servir en la majoria d'aplicacions òptiques.) Dues propietats que són fixades per la quantitat de sal en el mar són la conductivitat i la pressió osmòtica.

Idealment, la salinitat hauria de ser la suma de totes les sals dissoltes en grams per quilogram d'aigua de mar. En la pràctica, això és difícil de mesurar. L'observació del fet que - sigui quina sigui la quantitat de sal - els diversos components contribueixin en una proporció fixa, ajuda a superar aquesta dificultat. Permet determinar el contingut de sal a través de la mesura d'una quantitat en substitució i calcular el total de tot el material que contribueix a la salinitat de la mostra.

Així la determinació de la salinitat pot fer-se a través del seu component més important, el clorur. Es va definir el contingut de clorur en 1902 com la quantitat total en grams d'ions de clor continguda en un quilogram d'aigua de mar, si tots els halògens són substituits per clorurs. La definició reflecteix el procés de titració química per la determinació del contingut de clorurs i continua sent d'importància a l'hora de fer front a les dades històriques.

La salinitat es va definir en 1902 com la quantitat total en grams de substàncies dissoltes en un quilogram d'aigua de mar, si tots els carbonats es converteixen en òxids, tots els iodurs i bromurs en clorurs, i totes les substàncies orgàniques són oxidades. La relació entre la salinitat i els clorurs es va determinar a través d'una sèrie de mesures fonamentals de laboratori basades en mostres d'aigua de mar de totes les regions dels oceans del món i es calculava com

\[ S(\text{‰}) = 0.03 + 1.805\;Cl\;(\text{‰}) \quad (1902) \]

El símbol $\text{‰}$ significa "parts per mil" o "per mil"; un contingut de sal del 3.5% és equivalent a $35\;\text{‰}$, o 35 grams de sal per quilogram d'aigua de mar.

El fet que l'equació de 1902 donés una salinitat de $0.03\;\text{‰}$ per una clorinitat de zero era un motiu de preocupació. Això indicava un problema en les mostres d'aigua utilitzades per les mesures de laboratori. L'Organització de les Nacions Unides per la Ciència, l'Educació i la Cultura (UNESCO) va decidir repetir la base de determinació de la relació entre la salinitat i la clorinitat i introduir una nova definició, coneguda com salinitat absoluta,

\[ S(\text{‰}) = 1.80655\;Cl\;(\text{‰}) \quad (1969) \]

Les definicions de 1902 i 1969 donen resultats idèntics per una salinitat de $35\text{‰}$, i no difereixen substancialment en la majoria de les aplicacions.

La definició de la salinitat es va revisar de nou quan les tècniques per a determinar la salinitat a partir de mesures de la conductivitat, la temperatura i la pressió van ser desenvolupades. Des de 1978, "l'Escala Pràctica de Salinitat" defineix la salinitat en termes d'una ratio de conductivitat:

"La unitat pràctica de salinitat d'una mostra d'aigua de mar, representada pel símbol S, és defineix en termes de la relació K entre la conductivitat elèctrica d'una mostra d'aigua a 15°C a la pressió d'una atmosfera estàndard, respecte a la d'una solució de clorur de potassi (KCl), en la qual la fracció de massa de KCl és 0.0324356, a la mateixa temperatura i pressió. El valor de K exactament igual a 1 correspon, per definició, a una salinitat pràctica igual a 35". La fórmula corresponent és:

\[ S = 0.0080 - 0.1692\;K^{1/2} + 25.3853\;K + 14.0941\;K^{3/2} - 7.0261\;K^2 + 2.7081\;K^{5/2} \]

Cal notar que en aquesta definició, la salinitat és una relació i per tant el símbol ($\text{‰}$) ja no s'ha d'utilitzar, però un valor vell de $35\text{‰}$ correspon a un valor de 35 en les unitats práctiques de salinitat. Alguns oceanògrafs no es poden acostumar als números de salinitat sense unitats i escriuen "35 PSU", on PSU s'entén com les "unitats pràctiques de salinitat". Atès que la unitat pràctica de salinitat és una relació i que, per tant, no té unitats, la unitat "PSU" és una cosa sense sentit i totalment desaconsellada. Una vegada més, hi han petites diferències entre la vella definició i la nova Escala Pràctica de Salinitat, però són generalment menyspreables.

Conductivitat elèctrica

La conductivitat de l'aigua del mar depèn de la quantitat d'ions dissolts per unitat de volum (és a dir, la salinitat) i la mobilitat dels ions (és a dir, la temperatura i la pressió). Les seves unitats són mS/cm (mili-Siemens per centímetre). La conductivitat augmenta en la mateixa quantitat amb un augment de la salinitat de 0.01, un augment de la temperatura de 0.01°C, i un increment de profunditat (és a dir, de pressió) de 20 m. En la majoria de les aplicacions pràctiques en oceanografia el canvi de conductivitat està dominat per la temperatura.

Densitat

La densitat és un dels paràmetres més importants en l'estudi de la oceans dinàmica. Petites diferències horitzontals de densitat (causades per exemple per les diferències d'escalfament a la superfície) poden produir corrents molt forts. La determinació de la densitat, per tant, ha estat una les tasques més importants en l'oceanografia.

El símbol de la densitat que es fa servir habitualment és la lletra grega ρ (rho).

La densitat de l'aigua del mar depèn de la temperatura T, la salinitat S i la pressió p. Aquesta dependència es coneix com l'Equació d'Estat de l'Aigua de mar.

L'equació d'estat per un gas ideal ve donada per

\[ p = \rho\;R\;T \]

on $R$ és la constant dels gasos. L'aigua de mar no és un gas ideal, però per petits rangs de temperatura és pot considerar com si ho fós. L'equació exacta per tota la gamma de temperatures, salinitats i pressions que podem trobar a l'oceà serà

\[ \rho = \rho (T, S, p) \]

(on S és la salinitat) que es pot trobar a partir de curosos experiments de laboratori. Les primeres determinacions per establir l'equació d'estat es van fer en 1902 per Knudsen i Ekman. La seva equació expressava ρ en g cm^-3. Noves determinacions, basades sobre un rang més gran de pressions i salinitats, han permés determinar una nova equació per la densitat coneguda com l'"Equació d'Estat Internacional (1980)". Aquesta equació fa servir la temperatura en ºC, la salilnitat en la Escala Práctica de Salinitat i la pressió en dbar (1 dbar = 10.000 pascal = 10.000 N m^-2) i proporciona la densitat en kg m^-3. Així, una densitat de 1.025 g cm^-3 en la vella fórmula es correspon amb una densitat de 1025 kg m^-3 fent servir l'"Equació d'Estat Internacional (1980)".

La densitat augmenta en augmentar la salinitat i decrèixer la temperatura, excepte a temperatures per sota del màxim de densitat (figura 3.4). La densitat oceànica és habitualment propera a 1025 kg m^-3 (en aigua dolça és propera a 1000 kg m^-3). Els oceanògrafs usualment fan servir la quantitat denominada amb el símbol $\sigma_t$ (la lletra grega sigma amb el subíndex t) en comptes de la densitat, que es pronuncia "sigma-t". Aquesta quantitat es defineix com $\sigma_t = ρ - 1000$ i no té unitats (de fet n'hauria de tenir les mateixes que la densitat ρ). Una densitat típica de l'aigua de mar és en termes de sigma-t, $\sigma_t = 25$ (Figura 3.5).

Una regla general útil és que $\sigma_t$ canvia el mateix si $T$ canvia d'1°C, $S$ de 0.1 i $p$ equivalent a un canvi de 50 m de profunditat.

Noteu que el màxim de densitat està per sobre del punt de congelació per a una salinitat per sota de 24.7, però per sota del punt de congelació per a una salinitat per sobre de 24.7. Això té conseqüències sobre la convecció tèrmica:

• $S < 24.7$: L'aigua es refreda fins que assoleix la densitat màxima i, a continuació, quan l'aigua de la superfície es torna més lleugera (és a dir, després que la densitat màxima s'hagi sobrepassat) el refredament es limita degut a la capa de barreja per acció del vent, que finalment encara pot acabar congelant-se. Les conques profundes estan plenes d'aigua amb una densitat propera a la densitat màxima.
• $S > 24.7$: La convecció sempre arriba a tota la massa d'aigua. El refredament s'enlenteix degut a una gran quantitat de calor que s'emmagatzema en la massa d'aigua. Això és degut a que l'aigua arriba al punt de congelació abans que s'assoleixi el màxim de densitat.

Si el vostre navegador suporta JavaScript podeu verificar el rang de densitat de l'aigua de mar i la seva dependència amb la temperatura, la salinitat i la pressió a la superfície amb aquesta calculadora: Introduïu un valor per a la temperatura, un valor per a la salinitat i premeu el botó de calcular. Verifiqueu el resultat respecte el diagrama TS (figura 3.4 o figura 3.5).

Càlcul basat en Fofonoff, P. i R. C. Millard Jr (1983)