海洋学导论3(物理性质与层化)

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第三章：海水的物理性质和世界大洋的层化结构 第一节：海水的主要热学和力学性质一、纯水的特性（一）水分子的结构特殊极性缔合分子由简单的分子结合成比较复杂的分子而又不改变化学性质的现象，叫做分子的缔合T↑T↓促使缔合分子离解有利于分子缔合 （二）溶解力很强极性强溶解力强 （三）密度4℃，ρ最大，1000Kg/m3>4℃，t↓ρ↑<4℃，t↓ρ↓（四）热性质特殊熔点、沸点、比热、蒸发潜热、表面引力值都比氧的同族氢化物高 二、海水的盐度（一）1902年盐度、氯度定义不论海水中含盐量的大小如何，各主要成份之间的浓度比基本上是恒定的，这种规律称为“海水组成恒定性”盐度1Kg海水中的碳酸盐全部转换成氧化物，溴和碘以氯当量置换，有机物全部氧化之后所恒固体物质的总克数。氯度：1Kg海水中溴和碘以氯当量置换，氯离子的总克数。转换为盐度的关系式为：S‰=0.030+1.8050Cl‰ （二）1969年的电导盐度定义式中R15为15℃时，“一个标准大气压”下，水样的电导率C（S,15,0）与盐度精确为35.000‰（cl‰=19.374‰）的标准海水电导率C（35,15,0）之比值。此式即为1969年盐度的新定义。 （三）1978年的实用盐标（PSS78）配制一种浓度为32.4356‰高纯度的KCl溶液，它在"一个标准大气压力"下，温度为15℃时，与氯度为19.374‰(盐度为35.000‰)的国际标准海水在同压同温条件下的电导率恰好相同，把这一点作为实用盐度的固定参考点。计算公式式中K15是一个标准大气压下，温度15℃时海水样品的电导率与标准氯化钾溶液电导率之比； 三、海水的主要热性质和力学性质（一）热容与比热容海水温度升高1K（或1℃）时所吸收的热量，单位J/K或J/℃。单位质量海水的热容，单位J/Kg℃定压比热容Cp定容比热容Cv海水的比热容约为3.89×103J•Kg-1•℃-1,ρ为1025Kg•m-3。空气的比热容约为1×103J•Kg-1•℃-1,ρ为1.29Kg•m-3。 （二）体积热膨胀海水的热膨胀系数比纯水的大，且随温度、盐度和压力的增大而增大；在大气压力下，低温、低盐海水的热膨胀系数为负值，说明当温度升高时海水收缩。由正转负对应的密度最大。热膨胀系数：当温度升高1K（或1℃）时，单位体积海水的增量。 （三）压缩性、绝热变化、位温压缩系数：单位体积海水，压力增加1Pa时体积的负增量。绝热变化：绝热提升时，压力减小，体积膨胀，对外做功，消耗内能导致温度降低；绝热下沉时，压力增加，体积减小，对力对海水微团做功，增加期内能使温度增加位温：某一深度海水绝热上升到海面时温度称该深度海水的位温。 饱和水汽压：是指水分子由水面逃出和同时回到水中的过程达到动态平衡时，水面上水汽所具有的压力。（四）蒸发潜热和饱和水汽压比蒸发潜热：使单位质量海水化为同温度的蒸汽所需的热量，称为海水的比蒸发潜热，以L表示，单位是焦耳每千克或每克,记为J/kg或J/g。 由海水块体的随机运动所引起，则称为涡动热传导或湍流热传导。主要和海水的运动状况有关。（五）热传导相邻海水温度不同时，热量由高温处向低温处转移，这就是热传导。由分子的随机运动引起的热传导，称为分子热传导。主要与海水的性质有关 （六）沸点升高、冰点降低 3、表面张力：液体的自由面上，由于分子之间的吸引力所形成的合力使自由表面趋向最小。（七）海水的一些力学性质1、粘滞性：当相邻两层海水作相对运动时，由于水分子的不规则运动或者海水块体的随机运动(湍流)，在两层海水之间便有动量传递，从而产生切应力。2、渗透压：在海水与淡水之间放置一个半渗透膜，水分子可以透过，但盐分子不能透过。那么，淡水一侧的水会慢慢地渗向海水一侧，使海水一侧的压力增大，直至达到平衡状态。此时膜两边的压力差，称为渗透压。 四、海水的密度单位体积海水的质量，定义为海水的密度，用符号ρ表示，单位Kg•m-3。海水的密度是温度、盐度、压力的函数。 第二节：海冰一、海冰的形成与类型海水水温降低至冰点冰继续失热相对冰点稍有过冷却现象有凝结核存在1、海冰的形成条件 2、过程海水的冰点和最大密度温度都随盐度的增加而减小，并且随着盐度的增加，海水最大密度温度较冰点温度下降的速度快。当S=24.695时，二者的温度值相同，都为-1.33℃；当S＜24.695时，tρ(max)＞tƒ，其结冰过程与淡水相同；当S＞24.695时，tρ(max)＜tƒ，其结冰过程与纯水不同。结冰前一直对流混合，然后混合层都达冰点时一起结冰。 3、分类按结冰过程的发展阶段可将其分为：出生冰、尼罗冰、饼状冰、初期冰、一年冰和老年冰按海冰的运动状态分为固定冰和流冰两类。 二、海冰的物理性质（一）盐度1kg海冰融化后海水的盐度。海冰淡水冰晶卤汁气泡影响海冰盐度因素冻结前海水的盐度冻结速度冰龄 （二）海冰的密度海冰中因含有气泡，密度一般较低，冰龄越长，由于冰中卤汁渗出，密度则越小。（三）海冰的热性质及其他物理性质1、海冰的比热容比纯水冰大，且随盐度的增高而增大2、海冰的溶解潜热也比纯水冰的大3、海冰的热传导系数比纯水冰的小4、海冰的热膨胀系数随海冰的温度和盐度而变化5、海冰的抗压强度约为纯水冰的3/46、海冰对太阳辐射的反射率远比海水的大 第三节：世界大洋的热量与水量平衡一、海面的热收支 太阳辐射（Qs） 海面有效回辐射（Qb）蒸发或凝结潜热（Qe）海气之间的感热交换（Qh）QwQsQbQeQh=±±－通过海面的热收支余项 二、海洋内部的热交换在铅直方向上的热输运（Qz）在水平方向上的热输送（QA）海流湍流海洋全热量平衡方程QtQsQbQeQhQZQA＝－±±±± 三、海洋中的水平衡 蒸发降水大陆径流融冰结冰（二）水量平衡方程PRMUiEFUoq＝＋＋＋－－－（一）影响水平衡的因子PREq＝＋－ 第四节：世界大洋温度、盐度、密度的分布和水团在表层大致沿纬向呈带状分布，即东-西方向上量值的差异相对较小；而在径向方向，即南-北方向上的变化却十分显著。在铅直方向上，基本呈层化状态，且随深度的增加其水平差异逐渐缩小，置深层其温、盐、密的分布均匀。 大洋表面温、盐、密度随纬度的变化 一、海洋温度的分布与变化0-6℃75%1.3-3.8℃50%3.8℃太平洋大西洋印度洋3.7℃4.0℃3.8℃ （一）海洋水温的水平分布1、表层较高大洋表层水温分布取决于：太阳辐射的分布大洋环流年平均值：17.4℃太平洋：19.1℃印度洋：17.0℃大西洋：16.9℃地理位置大洋形状大洋环流的配置等 世界大洋2月和8月表层水温的分布特点（1）等温线的分布，沿纬线大致呈带状分布（2）冬季和夏季最高温度都出现在赤道附近海域（3）由热赤道向两级，水温逐渐降低，到极圈附近降至0℃左右（4）在两半球的副热带到温带海区，特别是北半球，等温线偏离带状分布，在大洋西部向极地弯曲，大洋东部则向赤道方向弯曲（5）在寒、暖流交汇区等温线特别密集，温度水平梯度特别大（6）冬季表层水温的分布特征与夏季相似，但水温的经线方向梯度比夏季大 夏季大洋表层水温分布图 冬季大洋表层水温分布图 水深500m水温分布水温经线方向梯度明显减小，在大洋西边界流相对应海域出现明显的高温中心水深1000m深层上水温径向方向变化小，北大西洋东部及印度洋北部出现高温区水深4000m层温度分布趋于均匀，整个大洋水温差不超过3℃左右底层水温主要受南极底层水的影响，约0℃左右表层以下 世界大洋500m深层水温分布 （二）水温的铅直分布水温大体上随深度的增加呈不均匀递减 低纬海域的暖水只限于薄薄的近表层之内，其下边是温度铅直梯度很大的水层，在不太厚的深度内，水温迅速递减，此层称为大洋主温跃层，又称永久性温跃层。大洋主温跃层以下，水温随深度的增加逐渐减小，但梯度很小大洋主温跃层的深度随纬度的变化而变化（1）在赤道海域上升，深度大约在300m左右（2）在副热带海域下降，600-800m（3）由副热带海域向高纬度海域逐渐上升成“W”形状 （三）水温的变化1、日变化很小，变幅一般不超过0.3℃2、年变化受制于太阳辐射的年变化 二、盐度的分布与变化世界大洋盐度的平均值大西洋：34.90印度洋：34.76太平洋：34.62（一）盐度的平面分布1、海洋表层盐度的平面分布 海洋表层盐度分布的总特征基本上也具有纬线方向的带状分布特征，但从赤道向两极呈马鞍形的双峰分布，即赤道海域盐度较低，至副热带海域盐度达到最高值，从副热带向两极盐度降低在寒暖流交汇区域和径流冲淡海区，盐度梯度特别大海洋盐度的最高值和最低值多出现在一些大洋边缘的海盆中冬季盐度的分布特征与夏季相似，只是在季风影响特别显著的海域，盐度有较大差异 世界大洋8月表层盐度分布图 2、表层以下盐度平面分布盐度的水平差异随深度的增大而减小（二）大洋盐度的铅直分布 在赤道附近热带海域，表层为一深度不大，盐度较低的均匀层，约其下100-200m层，出现盐度最大值，再向下盐度又急剧降低，至800-1000m层出现盐度最小值，然后又缓慢升高，至2000m以深，铅直变化很小在副热带中、低纬海域，由于表层高盐水在此下沉，形成一厚度约400-500m的高盐水层，再往下，盐度迅速减小，最小值出现在600-1800m水层中，继而又随深度的增加而增大，至2000m，变化着很小，直至深底在高纬寒带海域，表层盐度很低，但随深度的增大而递升，至2000m其分布于中低纬相似，所以没有盐度最小值层出现 大洋中平均盐度的典型铅直分布图 2、盐度的年变化（三）大洋盐度的变化1、盐度的日变化表面很小，其变幅通常小于0.05下层大于表面无规律可循，只能对具体海域进行分析 三、海洋密度的分布与变化（一）密度的水平分布赤道表层海水密度最小向两极，密度逐渐上升（二）密度的铅直分布深度增加密度不均匀增加（三）海水的密度变化复杂，无规律可循 四、海洋水团定义源地和形成机制相近，具有均匀的物理、化学和生物特征及大体一致的变化趋势，而与周围海水存在明显差异的宏大水体。水团从其源地所获得的各种特性，在运动过程中受环境变化影响或与周围海水交换混合，会发生不同程度的变化，此即水团变化。 第五节：海洋光学、声学现象一、水色、透明度 海色是观测者所看到的海洋的颜色，受周围环境的影响透明度用一个直径30cm白色圆盘垂直沉入海水中，直到刚刚看不见为止时的深度，这一深度叫海水的透明度。水色将透明度盘提升至透明度一半深度处，俯视透明度盘之上水柱的颜色，称为海水的水色。透明度大，水色大，水清 水色计是由按特定配方配制的21种不同颜色的水组成，分别封存于21个玻璃管中，由深蓝直到褐色，依次编上号码。号码愈小，水色越蓝，习惯上称为水色越高大洋水沿岸水透明度水色 二、光在海洋中的传播光进入水中之后，发生两个过程吸收散射（一）光的散射引起光散射的因素水分子粒子悬浮粒子浮游植物可溶性有机物粒子等 散射的机理瑞利散射米氏散射水分子散射粒子散射清洁大洋水主要是水分子散射，且散射作用主要表现在短波上混浊海洋水主要是粒子散射散射只改变光的传播方向 （二）光的吸收光能热能光合作用海水对光的吸收，主要由三种物质进行1、纯海水2、悬浮物质3、黄色物质对可见光的吸收很弱，尤其是对蓝绿光，几乎是透明度，对长波部分的吸收能力最强对短波部分的吸收能力强对短波部分的吸收能力强溶解于海水中的有机物质，不能过滤，通常是黄色，多为海洋生物时候分解的可溶物质 （三）光在海水中的衰减太阳辐射进入海水后，由于散射和吸收作用，其强度不段减弱，即光在海水中的不断衰减衰减系数吸收系数散射系数 三、声在海洋中的传播 （一）声在海水中的传播速度与温度、盐度和静压力有关温度↑盐度↑压力↑声速↑声速↑声速↑大洋表层，主要有温、盐决定大洋深层，主要有压力决定 （二）海洋中声波的传播路径海水中声线向具有较小声速的水层方向弯曲1、当声速随深度的变化为正常数时，称为正声速梯度分布。此时声传播损失较小，称为波导传播特点：声响向上弯曲声线没有经过海底而弯向海面反射回来，不存在海底吸收和散射，这种声线路径称为海洋中声的波导传播 2、当声速随深度的变化为负数时，称为负声速梯度分布，此时声的传播路径为反波导型传播特点：声线向下弯曲海底对声波吸收、散射，使经海底反射回来的声能减弱，所以传播距离受到极大限制。 3、水下声道声的超远距离传播称为声道现象若将声源置于声速垂直分布曲线的最小值所在处从发射器向各方向辐射的声线将向声速极小值所在的水层弯曲此时声速极小值上下的水层具有类似透镜聚焦的作用，将声能大部分限制在此层水间声速极小值所在的深度为声道轴是一水层声道大部分集中的水层称为声道波导型传播表面声道不稳定 （三）声的衰减1、引起声衰减的原因声线在空间扩展海水吸收能量气泡、生物等的散射波动海面上的反射和散射海底沉积层的反射和吸收2、防止办法聚焦选好声道 盐度与氯度完全脱钩的新的盐度定义与其他盐度定义不同的是（）A根据海水的恒定性规律B用硝酸银滴定法测定C用电导率测定D用高纯度的KCL作为测定盐度的参考标准下列属于波导传播的是（）A海底对声波吸收B声线向下弯曲C多见于炎热夏季的浅海中D声线向上弯曲把世界大洋作为一个整体，长期而言，通过海面的热收支余项（）AQw=0BQw≠0CQw>0DQw<0世界大洋中，表层水温最高的是（）A大西洋B太平洋C印度洋D北冰洋 下列可以解释水下声道现象的是（）A声波波长B射线的概念C声波波速D水深寒潮来袭，海面迅速结冰，此时海冰的盐度比一般的海冰（）A高B低C相同D不确定海洋中的全热量平衡方程为；水量平衡方程为。海冰是、、的混合物。海水的位温比其现场温度。海水微团绝热下沉时，温度。海洋各种参数中，随纬度变化呈马鞍状双峰分布的是；呈“W”型的是。世界大洋中，表层水温最高；平均水温最高。 水团简述淡水冰与海水冰结冰过程的异同。透明度与水色应用所学知识解释“午后现象”。详述海水结冰的条件、过程及海冰的物理性质。简述世界大洋表层水温分布特点。