La salinité

Une salinité se calcule comme la teneur en sels dissous d'un soluté. Généralement en aquariophilie, la salinité désigne la proportion de chlorure de sodium NaCl en solution dans l'eau de mer. Pour l'eau salée et en océanographie, la salinité s'appelle le degré halomètrique.

La teneur en sel détermine la salinité :

La salinité s'exprime par la concentration massique de la saumure, c'est-à-dire la teneur en sel d'une solution aqueuse d'eau salée.

Généralités

La salinité est la masse de sels contenue dans 1 kg d'eau de mer. On l'évalue maintenant en mesurant la conductivité et on l'exprime en ups : unité pratique de salinité, qui équivaut approximativement à 1mg/g de sels. La salinité de l'eau de mer est en moyenne de 35 ups, soit 35 g/kg. La densité, souvent utilisée en aquariophilie, s'exprime en ‰ et est fonction de la salinité, mais aussi de la pression et de la température. Une conversion est établie entre salinité et densité selon l'UNESCO : calcul de la densité/salinité de l'eau de mer.

⭐ Voir aussi la salinité du sol et les degrés halométriques.

Autrement exprimé, une salinité est la concentration en minéraux solubles (souvent limité aux sels de métaux alcalins ou de magnésium) et en chlorures présente dans l'eau ou dans un sol, généralement exprimée en parties pour mille. Reliée à la chlorinité selon la formule S = 1,805 Cl + 0,030 où S et Cl sont tous deux exprimés en parties pour mille.

La mesure de la salinité

Dès la Grèce antique, des tentatives ont été faites pour mesurer la salinité de l'eau de mer. Cependant, ces premières méthodes étaient peu efficaces et leur sensibilité et leur répétabilité étaient très limitées. Au cours de l'histoire moderne, des méthodologies plus précises ont été développées : pesée après évaporation, extraction par solvant et précipitation. De nos jours, des moyens électroniques sont employées en mesurant la conductivité.

La mesure de la salinité est importante dans le milieu marin. Par son influence sur la densité de l'eau de mer, elle permet de connaître la circulation océanique, d'identifier les masses d'eau d'origines différentes et de suivre leurs mélanges au large comme à la côte ou dans les estuaires. La grandeur "salinité" représente la proportion en sels minéraux dissous dans l'eau de mer.

Mais cette méthode n'est pas accessible directement par une méthode de mesure, aussi plusieurs définitions et relations ont été établies afin de s'en approcher au mieux. Deux méthodes essentielles sont utilisées couramment pour la détermination de la salinité : la méthode volumétrique et la méthode conductimétrique (voir Mesurer la salinité par la conductivité). On définit donc la salinité ainsi : La salinité est la masse en grammes des substances solides contenues dans un kilogramme d'eau de mer, quand les ions bromures et iodure sont remplacés par leur équivalent de chlorure, les carbonates convertis en oxydes et toute la matière organique oxydée.

Mais une telle procédure étant trop compliquée pour être envisagée en routine, une méthode plus simple a dû être mise au point. Sachant qu'il existe une certaine proportionnalité entre les ions majeurs de l'eau de mer (c'est-à-dire : Chlore, Brome et iode), Dittmar a remarqué que les ions chlorures représentent à eux seuls 55 % de la masse des minéraux dissous; ils peuvent alors être déterminés avec précision (en fait, le groupe Cl^- + Br^- + I^- dont Cl^- représente 99,7 %) par argentimétrie. Ainsi a été établie la définition de la chlorinité : La chlorinité est la masse en gramme de chlore équivalente à la quantité totale d'halogènes dans un kilogramme d'eau de mer.

Cependant, la détermination par argentimétrie lie la valeur de la chlorinité aux déterminations successives sur une même eau de mer des masses atomiques de l'argent et du chlore. On aura donc : Le nombre donnant la chlorinité (en pour mille) d'une eau de mer est par définition identique au nombre donnant la masse en gramme d'argent pur juste nécessaire pour précipiter les halogènes dans 0,3285234 kilogramme d'eau de mer.

On utilise par ailleurs la notion de chlorosité, grandeur accessible par l'analyse volumétrique : cette quantité se définit de façon similaire à la chloronité, excepté le fait qu'elle ne se rapporte pas à 1 kg mais à 1 l d'eau de mer à la température de t °C. Le symbole utilisé pour la chlorosité est : (Cl/l)_t. Il en découle la relation : CHLORINITE = (CHLOROSITE à t °C) x (l/d_t) où d_t est la densité de l'eau de mer à la température t °C.

Il n'entre pas dans le cadre de cet article simplifié pour le rendre accessible au plus grand nombre de lecteurs ni de remplacer un cours de chimie, ni de donner des formules et des tableaux, si bien faits soient-ils. Pour ce faire, le lecteur pourra se reporter aux ouvrages qui ont fait leurs preuves.

On notera que la salinité des océans avoisine 35, que dans les estuaires et certaines mers particulières (Baltique, par exemple), elle descend à 20, elle peut atteindre au contraire des valeurs plus élevées en Méditerranée, et jusqu'à 40 dans certaines mers fermées (Mer Caspienne). La salinité des eaux douces est réputée être nulle. L'étalonnage des appareils de laboratoire est effectuée avec de l'Eau de Mer "normale", eau dont la salinité est certifiée jusqu'à 0,001. Théoriquement, la salinité n'a pas d'unité, mais pratiquement, on utilise souvent le "pour mille".

Mesurer la salinité avec un salinomètre

La méthode de détermination de la salinité par la conductimétrie est à la base de l'utilisation des salinomètres : elle est rapide, simple et précise. Deux types de salinomètres sont généralisés : le salinomètre à électrodes et le salinomètre à induction. Dans un salinomètre à électrodes, ces dernières sont en contact direct avec l'eau de mer, introduite dans une cellule immergée dans un bain thermostaté. La température est régulée à ± 0,001 °C afin d'obtenir une précision de ± 0,001 en salinité. Dans un salinomètre à induction, l'eau de mer est introduite dans une cellule où elle forme un anneau conducteur mettant en liaison deux transformateurs. L'un, alimenté par un oscillateur de fréquence élevée (10 kHz), crée un courant induit dans l'anneau d'eau de mer. Ce courant crée à son tour, au bornes du secondaire du deuxième transformateur, une tension que l'on amplifie et que l'on mesure.

Ces appareils ont un encombrement plus réduit que les modèles à électrodes, mais ont une précision légèrement moindre. Est-ce vraiment important dans un cadre aquariophile ?

Mesurer la salinité par la conductivité : pourquoi ?

Tout d'abord, il faut savoir que la salinité est définie à l'origine comme la quantité de sels dissous présents dans l'eau de mer. Les premières mesures ont évidemment impliqué de peser les résidus solides à sec de l'eau de mer. C'est ce qui semblait logique. Malheureusement, cette méthode (difficile) du séchage de l'eau reste imprécise dans les résultats obtenus car certains gaz dissous dans l'eau sont enlevés et éliminés sans être pesés. Le pourcentage de chaque élément chimique en présence est donc faussé. Du coup, d'autres techniques ont été développées pour mesurer la salinité telles que la mesure de la conductivité, l'indice de réfraction lumineux ou encore la densité. Si cette dernière mesure convient aux aquariophiles amateurs par sa simplicité, elle est par trop imprécise et ne peut être réellement exploitée à un niveau scientifique. Et même si la mesure de l'indice de la réfractivité (par un réfractomètre) donne un meilleur résultat, c'est la mesure de la conductivité qui apporte la meilleure précision.

Tout d'abord, il faut savoir que la salinité est définie à l'origine comme la quantité de sels dissous présents dans l'eau de mer. Les premières mesures ont évidemment impliqué de peser les résidus solides à sec de l'eau de mer. C'est ce qui semblait logique. Malheureusement, cette méthode (difficile) du séchage de l'eau reste imprécise dans les résultats obtenus car certains gaz dissous dans l'eau sont enlevés et éliminés sans être pesés. Le pourcentage de chaque élément chimique en présence est donc faussé. Du coup, d'autres techniques ont été développées pour mesurer la salinité telles que la mesure de la conductivité, l'indice de réfraction lumineux ou encore la densité. Si cette dernière mesure convient aux aquariophiles amateurs par sa simplicité, elle est par trop imprécise et ne peut être réellement exploitée à un niveau scientifique. Et même si la mesure de l'indice de la réfractivité (par un réfractomètre) donne un meilleur résultat, c'est la mesure de la conductivité qui apporte la meilleure précision.

A noter que la conductivité est l'inverse, y compris mathématiquement, de la résistivité, c'est-à-dire, en simplifiant beaucoup, qu'elle indique la facilité pour un courant électrique de traverser un milieu qui, en l'occurrence, dans notre cas est l'eau de mer. Alors qu'une résistance s'exprime en Ohm, une conductance se calcule en Siemens (voir les notes en fin de document pour les unités).

Je pense que chacun comprend l'intérêt de connaître la salinité d'un aquarium marin. En revanche, il faut décrire pourquoi une mesure la plus précise possible amène à un meilleur contrôle des paramètres globaux. Il suffit déjà de considérer (ou d'établir comme règle et préambule) que tout organisme peut exister dans une gamme de salinités assez étendue, mais qui lui est propre. Restrictivement, seule une faible plage des valeurs de salinités convient complètement à la prospérité réelle de ces organismes. Lorsque cette gamme de valeurs est connue, il suffit alors de conserver ces organismes à l'intérieur de cet intervalle pour les voir prospérer, proliférer. Malheureusement, lorsque les valeurs optimales n'ont pas été établies (et c'est souvent le cas), il semble logique de vouloir les maintenir dans des valeurs connues et éprouvées dans leur environnement normal. En résumé, le meilleur choix semble bien de s'approcher le plus possible des valeurs naturelles.

Quand on commence à parler de la salinité, il faut déjà élaborer les bases de la discussion en considérant uniquement ce qui nous intéresse. Évidemment, la nature des constituants de l'eau de mer naturelle est connue dans le détail. Dans ce contexte de salinité (objet de cet article), l'eau de mer est principalement constituée d'ions inorganiques dissous dans l'eau et c'est cette concentration globale en ions qu'il faut parfaitement mesurer ! Pour une première approximation, considérons ces ions inorganiques (tels que le sodium Na⁺ ou le chlore Cl^-) comme indépendants les uns des autres et qu'ils se déplacent dans l'eau librement.

Mais, puisque ces ions sont, à la fois, chargés électriquement et libres de se déplacer, ils sont capables de répondre à un champ électrique. Ainsi, les ions chargés positivement se déplaceront vers une électrode chargée négativement et, à l'inverse, les ions négatifs iront vers une électrode positive. Comme les ions sont chargés électriquement et qu'ils se déplacent, ils constituent la source d'un courant électrique. Ainsi, pour mesurer la conductivité, on mesure simplement le flux d'électricité au travers de l'eau à l'intérieur d'un champ électrique.

Dans la pratique, le flux électrique mesuré dépend de plusieurs paramètres : 1- le nombre d'ions qui se déplacent, 2- les types d'ions qui sont présents (certains bougent plus rapidement que d'autres), et 3- la force du champ électrique. Si nous supposons que l'eau a les bons ratios d'ions (cela revient à rendre fixe et non variable le point -2-), alors le flux électrique mesuré peut être considéré comme une bonne mesure du nombre total d'ions en présence, ou en d'autres mots, une bonne mesure de la salinité !

D'autre part, des ions plus gros ont tendance à se mouvoir moins rapidement dans l'eau et ont, de ce fait, une conductivité inférieure. Pour accepter de telles comparaisons, il faut tenir compte des molécules d'eau qui sont étroitement liées à la facilité de déplacement des autres molécules. Ainsi, on ne peut pas seulement considérer le poids moléculaire ou la taille (diamètre) des ions. C'est pourquoi, par exemple, le lithium (Li⁺) est nettement moins conducteur que le sodium (Na⁺) qui est lui-même moins conducteur que le potassium (K⁺).

Le tableau n ° 2 montre la variabilité de la conductivité ionique pour plusieurs molécules en fonction de leur mobilité (une mesure de la façon dont un ion peut volontiers se déplacer dans l'eau). Ainsi, les mêmes ions peuvent avoir une conductivité différente en fonction de leur concentration au sein du milieu aqueux. Par exemples, le calcium et le sulfate sont plus conducteurs dans le tableau 1 que dans le tableau 2.

Un autre facteur intéressant est la conductivité exceptionnellement grande des ions hydrogène (H⁺) et hydroxyde (OH^-). Ils ont des conductivités relatives très élevées et une mobilité importante, mais ce n'est absolument pas à cause de la petitesse de ces ions. D'ailleurs, ces ions ne se déplacent pas sur de grandes distances et leur grande mobilité apparente vient de la proximité des molécules d'eau entre elles. Ainsi, un ion hydrogène trouve immédiatement une zone d'échange avec la molécule d'eau voisine qui libère aussitôt un autre ion hydrogène. C'est de cette rapidité d'échange dont résulte ce mouvement, cette grande mobilité apparente. La conductivité importante des ions H⁺ et OH^- vient de la faible distance à parcourir qui permet d'obtenir une vitesse relative d'échange importante.

Une première conclusion vient : le plus important pour la mesure de la salinité de l'eau de mer est qu'un ion qui n'est pas présent en concentration relativement haute ne contribue pas significativement au résultat total. Même les ions H⁺ et OH^-, malgré leur conductivité relative élevée, ne contribuent pas énormément au total car leur concentration intrinsèque dans l'eau salée est extrêmement faible.

En fait, ce sont vraiment les ions Na⁺ et Cl^- qui dominent complètement, apportant à eux seuls 90 % de tous les ions en mouvement. Le magnésium Mg⁺⁺ ajoute 5 % et le sulfate SO₄^-- complète pour 2,5 % supplémentaire les ions en présence. Ainsi, aussi longtemps que ces 4 ions sont présents à une concentration à peu près exacte, ils représentent plus de 97 % du total de tous les ions apportant une contribution à la conductivité. De fait, les déséquilibres de concentration des autres ions influencent peu le résultat final et n'apportent qu'une contribution restreinte à la conductivité totale. D'ailleurs, les variations, si importantes pour d'autres aspects dans les aquariums marins, du calcium et des phosphates sont négligeables et n'ont qu'une très très faible conséquence sur la salinité.

Malheureusement, une complication supplémentaire vient entraver la facilité de la mesure de la salinité par la conductivité. En effet, la conductivité des ions dans l'eau dépend de la température. De nombreux facteurs causent cette incidence, mais le plus facile à comprendre est que les ions se déplacent naturellement plus rapidement au fur et à mesure que la température augmente (l'agitation est fonction de la chaleur). Du coup, avec un même nombre d'ions qui se déplacent, ces derniers allant plus vite avec une chaleur croissante, leurs conductivités relatives sont augmentées. Par exemple, la conductivité de l'eau de mer à 5 °C est moitié moindre qu'à 37 °C ! Pour cette raison, les conductimètres modernes mesurent à la fois et simultanément la conductivité et la température. Généralement, les conductimètres sont étalonnés aux environs de 10 °C et une correction interne (électronique) tient compte de ce facteur pour indiquer le résultat. En conséquence, vous pouvez mesurer la salinité de l'eau de mer indépendamment de la température. D'ailleurs, la relation exacte unissant la conductivité à l'égard de la température est bien connue : elle est définie par l'Équation Internationale d'Etat de l'eau de mer de l'Unesco (IES 080). Et plutôt qu'un long discours à ce sujet, référez-vous au module de la Mesure UNESCO de la salinité qui vous permettra d'appréhender par essais les conséquences et l'influence de la température sur la conductivité et la salinité qui en découle.

Il y a toutefois une grande précaution à prendre avec le modèle de conductimètre à utiliser pour l'eau de mer : il s'agit de modèles spécifiques qui ne conviennent pas pour l'eau douce car les valeurs de conductivité, de l'ordre de 5,3 S/m* ou encore 53 mS/cm*, soit 53 000 µS/cm* pour l'eau de mer naturelle sont extrêmement importantes comparativement à l'eau douce (maxi de 2000 µS/cm). Les sondes sont donc différentes (sauf pour des modèles haut de gamme dont, seule, la solution d'étalonnage va changer) !!! Si votre conductimètre n'intègre pas les fonctions de conversion entre conductivité et salinité, référez-vous encore au module de Calculs et Conversions Aquariophiles en eau de mer.

Pour en revenir à la question initiale, c'est-à-dire pourquoi mesurer la salinité par le biais de la conductivité, c'est pour obtenir une valeur précise qui concordera le mieux avec les animaux que vous hébergez dans votre aquarium. Plus vous collerez aux valeurs naturelles dans lesquelles se maintiennent vos coraux et autres invertébrés (les vertébrés y sont moins sensibles), plus entrerez dans leur plage (intervalle de salinité) de croissance optimum. C'est l'une des raisons pour lesquelles les aquariophiles marins tendent de plus en plus à réaliser des aquariums endémiques, car la salinité d'une mer ou d'un océan à l'autre varie (les mers ont une salinité plus élevée que les océans).

✅ Notes sur les unités : le Siemens/mètre (S/m) est l'unité officielle du système métrique international qui est employé dans le module de "Calculs et Conversions Aquariophiles". Le milli-Siemens/centimètre (mS/cm) est le facteur d'unité généralement employé par les scientifiques pour indiquer une conductivité forte telle que celle de l'eau de mer. Le micro-Siemens/centimètre (µS/cm) est usité pour indiquer les valeurs faibles de conductivité comme celles de l'eau douce (souvent < 2000 µs/cm).
✅ 1 S/m = 10 mS/cm = 10 000 µS/cm.

En rapport avec "salinité"

• densité

  

  En physique et en chimie, la densité est une quantité scalaire rapportée à la quantité de masse dans un volume donné d'une substance.

• désalinisation

  

  La désalinisation est l'action d'extraction du sel d'un sol par des moyens artificiels, en général le lessivage.

• eau saline

  

  Une eau est qualifiée de saline lorsque sa concentration en matières dissoutes approche celle de l'eau de mer.

• équilibre hydrosalin

  

  L'équilibre hydrosalin (ou balance hydrosaline, balance hydro-électrolytique) est le principe selon lequel la concentration de solutés dans l'environnement...