海水

海水の大部分は塩分濃度が31～38g  /kg、つまり3.1～3.8%ですが、海水は世界中で均一に塩分濃度が高いわけではありません。河口からの淡水流出、氷河の融解付近、または大量の降水（モンスーンなど）が混ざり合う場所では、海水の塩分濃度は大幅に低くなることがあります。最も塩分濃度が高い外洋は紅海で、高い蒸発率、低い降水量、低い河川流出量、そして閉鎖的な循環によって、異常に塩分濃度の高い海水となっています。孤立した水域の塩分濃度はさらにかなり高くなる場合があり、死海の場合は約10倍にもなります。歴史的に、海水の絶対塩分濃度を近似するためにいくつかの塩分スケールが使用されてきました。よく使われたスケールは「実用塩分スケール」で、塩分濃度は「実用塩分単位（PSU）」で測定されました。塩分濃度の現在の基準は「基準塩分濃度」スケール^{[ 6 ]}であり、塩分濃度は「g/kg」単位で表されます。 

表面海水の密度は、温度と塩分濃度によって約 1020 ～ 1029  kg/m ³の範囲です。温度 25  °C、塩分濃度 35  g/kg、 圧力 1 atm では、海水の密度は 1023.6  kg/m ³です。^{[ 7 ] [ 8 ]}深海では、高圧下で海水の密度は 1050  kg/m ³以上に達することがあります。海水の密度は塩分濃度によっても変化します。海水淡水化プラントで生成される塩水は、最大 120 g/kg の塩分濃度を持つことがあります。25 °C、大気圧での塩分濃度 120 g/kg の典型的な海水塩水の密度は 1088 kg/m ³です。^{[ 7 ] [ 8 ]}   

産業革命以前（1850年以前）の海洋表面のpH値は約8.2でした。[ 9 ^{]それ以降}、二酸化炭素排出に関連する海洋酸性化と呼ばれる人為的なプロセスにより、pH値は低下しています。1950年から2020年の間に、海洋表面の平均pHは約8.15から8.05に低下しました。^{[ 10 ]}

海水のpH値は、深海では有機物の分解の結果として自然に7.8まで低くなります。^{[ 11 ]}生物生産性の高い地域の表層水では8.4まで高くなることがあります。^{[ 12 ]}

pHの測定は海水の化学的性質によって複雑になり、化学海洋学にはいくつかの異なるpHスケールが存在する。^{[ 13 ]}海水には普遍的に受け入れられている基準pHスケールはなく、異なる基準スケールに基づく測定値の差は最大で0.14単位になる可能性がある。^{[ 4 ]}

海水には、あらゆる種類の淡水よりも多くの溶存イオンが含まれています。 ^{[ 14 ]}しかし、溶質の比率は大きく異なります。たとえば、海水には河川水よりも約2.8倍多くの重炭酸イオンが含まれていますが、溶存イオン全体に占める海水の重炭酸イオンの割合は、河川水よりもはるかに低くなっています。重炭酸イオンは河川水の溶質の48%を占めますが、海水ではわずか0.14%です。^{[ 14 ] [ 15 ]}このような違いは、海水中の溶質の滞留時間の違いによるものです。ナトリウムと塩化物は非常に長い滞留時間を持ちますが、カルシウム（炭酸塩形成に不可欠）ははるかに速く沈殿する傾向があります。^{[ 15 ]}海水中で最も豊富な溶存イオンは、ナトリウム、塩化物、マグネシウム、硫酸塩、カルシウムです。^{[ 16 ]}浸透圧は約1000 mOsm/Lです。^{[ 17 ]}

微量の他の物質も発見されており、その中には窒素原子1リットルあたり最大2マイクログラムの濃度のアミノ酸が含まれている^{[ 18 ]} 。アミノ酸は生命の起源において重要な役割を果たしたと考えられている。

1957年にスクリップス海洋研究所が行った調査では、太平洋の遠洋域と沿岸域の両方で水が採取された。直接顕微鏡計数と培養が用いられ、直接計数では培養から得られた数の最大10,000倍が示された場合もあった。これらの違いは、細菌が凝集して存在すること、培養培地の選択効果、および不活性細胞の存在に起因すると考えられた。細菌培養数は水温躍層より下で著しく減少したが、直接顕微鏡観察では減少は見られなかった。多数のらせん状の形態が顕微鏡で観察されたが、培養では見られなかった。2つの方法で得られた数の不一致は、この分野や他の分野ではよく知られている。^{[ 20 ]} 1990年代には、DNAのごく小さな断片を調べることで微生物の検出と識別の技術が向上し、海洋生物センサスに参加した研究者は、通常は少数しか存在しない何千もの未知の微生物を特定することが可能になった。これにより、これまで考えられていたよりもはるかに多様性が明らかになり、1リットルの海水には2万種以上の生物が存在する可能性がある。海洋生物研究所のミッチェル・ソギン氏は、「海洋に生息する細菌の種類は500万から1000万を超える可能性がある」と考えている。^{[ 21 ]}

細菌は水柱のあらゆる深度、そして堆積物中にも存在し、好気性のものもあれば嫌気性のものもある。ほとんどは遊泳性だが、中には他の生物と共生するものもあり、生物発光細菌はその例である。シアノバクテリアは海洋プロセスの進化において重要な役割を果たし、ストロマトライトの形成や大気中の酸素供給を可能にした。

一部の細菌は珪藻と相互作用し、海洋におけるケイ素の循環において重要な役割を果たしている。嫌気性細菌の一種であるThiomargarita namibiensisは、ベンゲラ海流の湧昇域における植物プランクトンの高い増殖率によって生成され、最終的に海底に沈む、ナミビア沿岸の珪藻堆積物からの硫化水素噴出の分解において重要な役割を担っている。

細菌のような古細菌は、海底の熱水噴出孔のような極限環境でも生存し繁栄することで、海洋微生物学者を驚かせました。PseudomonasやVibrio属などのアルカリ耐性海洋細菌はpH 7.3 ～ 10.6 の範囲で生存しますが、一部の種は pH 10 ～ 10.6 でのみ成長します。^{[ 22 ]}古細菌は外洋にも存在し、海洋バイオマスの半分を占める可能性があり、海洋プロセスにおいて重要な役割を果たしていることは明らかです。^{[ 23 ]} 2000 年、海底の堆積物から、重要な温室効果ガスであり、大気温暖化の主な原因であるメタンを分解する古細菌の種が発見されました。^{[ 24 ]}一部の細菌は海底の岩を分解し、海水の化学に影響を与えます。石油流出や、人間の下水や化学汚染物質を含む流出水は、周辺の微生物の生命に著しい影響を与えるだけでなく、あらゆる海洋生物に影響を及ぼす病原体や毒素を保有している。原生生物である渦鞭毛藻類は、人為的な汚染の後などに、ブルームや赤潮と呼ばれる個体数の爆発的な増加を起こすことがある。この過程で生物毒素と呼ばれる代謝産物が生成され、それが海洋食物連鎖に沿って移動し、より高次の動物消費者を汚染する可能性がある。

パンドラウイルス・サリヌスは、他のどのウイルス種よりもはるかに大きなゲノムを持つ、非常に大きなウイルスの一種で、2013年に発見されました。他の非常に大きなウイルスであるミミウイルスやメガウイルスと同様に、パンドラウイルスはアメーバに感染しますが、そのゲノムは1.9～2.5メガベースのDNAを含み、メガウイルスの2倍の大きさであり、外観やゲノム構造において他の大きなウイルスとは大きく異なります。

2013年、アバディーン大学の研究者らは、深海海溝で進化してきた生物から未発見の化学物質を探し始めると発表した。新たな感染症治療薬の不足による「抗生物質の終末」を予期し、「次世代」の抗生物質を見つけたいと期待している。EUの資金援助を受けたこの研究は、アタカマ海溝から始まり、その後ニュージーランド沖や南極沖の海溝へと調査範囲を広げる予定である。^{[ 25 ]}

海洋は、その広大さゆえにあらゆる有害物質を吸収・希釈できるという前提のもと、長年にわたり人間の廃棄物を投棄してきた。^{[ 26 ]} 小規模であれば確かにそうかもしれないが、日常的に投棄される大量の汚水は多くの沿岸生態系に損害を与え、生命を脅かす状態にしている。このような水域には、大腸菌、コレラ、A型肝炎、E型肝炎、ポリオの原因となるコレラ菌、ジアルジア症やクリプトスポリジウム症を引き起こす原虫など、病原性ウイルスや細菌が存在する。これらの病原体は大型船舶のバラスト水に日常的に存在し、バラスト水が排出されると広範囲に拡散する。^{[ 27 ]}

海水中の音速は約 1,500 m/s であり(一方、空気中の 音速は通常、約 101.3 kPa の圧力、1気圧で約 330 m/s である)、水温、塩分、圧力によって変化する。海水の熱伝導率は25 °C、塩分 35 g/kg で0.6 W/mK である。^{[ 28 ]} 熱伝導率は塩分の増加とともに減少し、温度の増加とともに増加する。^{[ 29 ]}      

他の種類の未処理水や汚染水と同様に、海水も蒸発またはろ過することで、塩分、細菌、および飲用とみなされるのを妨げるその他の汚染物質を除去できます。ほとんどの外洋航行船は、真空蒸留や蒸発器での多段フラッシュ蒸留、あるいは最近では逆浸透などのプロセスを使用して、海水から飲用水を脱塩します。これらのエネルギー集約的なプロセスは、帆船時代には通常利用できませんでした。ネルソンのHMSビクトリーのような乗組員の多い大型帆船には、調理室に蒸留装置が備え付けられていました。^{[ 47 ]} 海水を蒸発させて得られる天然の海塩は、収集して食卓塩として販売することもできます。岩塩や他の供給源と比較して独特のミネラル組成のため、通常は別々に販売されます。 

世界各地の多くの地域料理では、伝統的に海水を直接材料として取り入れ、従来の乾燥調味料の代わりに、ろ過した海水で希釈した溶液で他の材料を調理します。支持者には、世界的に有名なシェフであるフェラン・アドリアとキケ・ダコスタがおり、彼らの母国スペインには、料理用にろ過した海水を調達している企業が6社あります。^{[ 48 ]}この水は「完璧な塩」を意味する「 la sal perfecta 」として販売されており、ナトリウム含有量が少なく、味が優れていると考えられています。ホアキン・バエサが経営するレストランでは、供給業者のメディテラネアから月に最大6万リットルの海水を調達しています。 ^{[ 48 ]}

魚類、クジラ、ウミガメ、ペンギンやアホウドリなどの海鳥といった動物は、高塩分濃度の生息地での生活に適応している。例えば、ウミガメやイリエワニは涙腺を通して体から余分な塩分を排出する。^{[ 49 ]}

持続可能な慣行を十分に考慮しながら海水からの鉱物および元素の抽出を行うためには、監視管理システムを導入する必要がある。これには、海洋区域とその状態の管理、環境計画、抽出が管理されていることを保証する構造化されたガイドライン、抽出後の海の状態の定期的な評価、および継続的な監視が必要となる。^{[ 56 ]}水中ドローンなどの技術の使用は、持続可能な抽出を促進することができる。^{[ 57 ]}低炭素インフラの使用は、鉱物抽出による二酸化炭素排出量を削減しながら、より持続可能な抽出プロセスを可能にする。^{[ 57 ]}

海水からのより持続可能な水供給を実現するために、脱塩処理も綿密に検討されている。脱塩処理にはコストや資源などの環境上の懸念も伴うが、研究者たちは、これまでそのような計画が利用できなかった地域でより多くの水供給に対応できる、より生産性の高い水処理施設を作るなど、より持続可能な方法を決定するために緊密に協力している。 ^{[ 58 ]}海水抽出は社会に大きな利益をもたらす可能性があるが、環境への影響を考慮し、すべての抽出が海水生態系の持続可能性に対する関連リスクを認識し考慮した方法で実施されるようにすることが不可欠である。

ASTM International は、人工海水に関する国際規格ASTM D1141-98 (オリジナル規格 ASTM D1141-52) を定めています。これは、腐食、油汚染、洗浄力評価などの海水試験において再現性のある溶液として、さまざまな研究試験ラボで使用されています。^{[ 59 ]}

海水中に存在するミネラルは、海洋とその生態系の食物連鎖において重要な役割を果たすこともあります。例えば、南極海は環境炭素循環に大きく貢献しています。この海域には鉄分があまり含まれていないため、鉄分不足は海域に生息する海洋生物に影響を与えます。その結果、この海域では植物プランクトンを十分に生産できず、海洋食物連鎖の最初の供給源が阻害されます。^{[ 60 ]}植物プランクトンの主な種類の一つは珪藻で、これは南極オキアミの主要な食料源です。このサイクルが続くと、さまざまな大型海洋動物が南極オキアミを餌としますが、最初の植物プランクトン/珪藻からの鉄分が不足しているため、これらの大型種も鉄分が不足します。大型海洋動物には、シロナガスクジラやナガスクジラなどのヒゲクジラが含まれます。^{[ 60 ]}これらのクジラは、食事中のミネラルバランスを保つために鉄に依存しているだけでなく、海に再生される鉄の量にも影響を与えます。クジラの排泄物には吸収された鉄も含まれており、鉄が海洋生態系に再導入されることになります。全体として、南極海における鉄などのミネラル欠乏は、海洋生態系内で重大な連鎖的混乱を引き起こす可能性があり、これは食物連鎖における海水が果たす重要な役割を示しています。

珪藻、オキアミ、ヒゲクジラの間の動的な関係をさらに分析した結果、ヒゲクジラの糞便サンプルが南極海水で調べられました。^{[ 60 ]}鉄濃度は南極海水で見られる濃度の1000万倍も高く、糞便全体にオキアミが常に存在していたことから、オキアミがクジラの食餌に含まれていることが分かりました。^{[ 60 ]}南極オキアミの平均鉄濃度は乾燥重量1kgあたり174.3mgでしたが、オキアミの鉄濃度は乾燥重量1kgあたり12～174mgとばらつきがありました。^{[ 60 ]}シロナガスクジラとナガスクジラの筋肉組織の平均鉄濃度は乾燥重量1kgあたり173mgで、これは大型海洋哺乳類が南極海などの海洋生態系にとって重要であることを示しています。^{[ 60 ]}実際、海にクジラが増えると、排泄物を通して海水中の鉄分が増加し、より良い生態系が促進される可能性がある。

オキアミとヒゲクジラは、南極海の海水中で大きな鉄貯蔵庫として機能します。オキアミは、生息域内の表層水に存在する鉄の最大24%を保持することができます。^{[ 60 ]}オキアミが珪藻を食べる過程で鉄が海水中に放出されるため、海洋の鉄循環の重要な部分であることが強調されます。オキアミとヒゲクジラの間の有利な関係は、海水中でリサイクルおよび貯蔵できる鉄の量を増加させます。^{[ 60 ]}正のフィードバックループが形成され、南極海の海洋生物の全体的な生産性が向上します。

あらゆるサイズの生物が海洋生態系のバランスにおいて重要な役割を果たしており、最大の生物も最小の生物も等しく海水中の栄養素の循環に貢献している。クジラの個体群の回復を優先することは、海洋生態系全体の生産性を高め、海水中の鉄分濃度を増加させるため、海洋にとってバランスの取れた生産的なシステムを可能にするだろう。しかし、肥料としてのクジラの糞の利点を理解し、南極海における鉄の循環についてさらに洞察を得るためには、より詳細な研究が必要である。^{[ 60 ]}生態系の管理と保全に関するプロジェクトは、海洋生態学の知識を進歩させるために不可欠である。

他の鉱物採掘方法と同様に、環境面での利点と欠点があります。コバルトとリチウムは、電気自動車の動力源となるバッテリーや風力発電など、地上でのより環境に優しい技術を支援するために使用できる2つの重要な金属です。^{[ 61 ]}より持続可能な採掘を可能にする環境に優しいアプローチは、これらの金属を海底から抽出することです。海底からのリチウムの大量採掘は、人間の二酸化炭素排出量を削減するために社会でより環境に優しい慣行を促進するための相当量の再生可能な金属を提供する可能性があります。海底からのリチウム採掘は成功する可能性がありますが、その成功は地上でのより生産的なリサイクル慣行に依存します。 ^{[ 62 ]}

海底からの採掘にはリスクも伴います。多くの生物多様性の高い種は海底で長い寿命を持ち、そのため繁殖に時間がかかります。^{[ 56 ]}海底からの魚の漁獲と同様に、適切な手順なしに大量の鉱物を急速に採掘すると、水中生態系が破壊される可能性があります。^{[ 56 ]}逆に、これは逆の効果をもたらし、鉱物採掘が長期的に持続可能な慣行となることを妨げ、必要な金属の不足につながります。海水からの鉱物採掘は、環境内の途切れることのない生態系に依存している水中生物の生息地を破壊するリスクも伴います。撹乱は動物群集に大きな混乱をもたらす可能性があるためです。^{[ 56 ]}