海洋物理学发展简史.doc

《海洋物理学发展简史.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《海洋物理学发展简史.doc（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、海洋物理学发展简史物理 001班 邢玉春海洋物理学是以物理学的理论、技术和方法，研究海洋中的物理现象及其变化规律，并研究海洋水体与大气圈、岩圈和生物圈的相互作用的科学。它是海洋科学的一个重要分支，与大气科学、海洋化学、海洋地质学、海洋生物学有密切的关系，在海洋运输、资源开发、环境保护、军事活动、海岸设施和海底工程等方面有重要的应用。 海洋物理学作为海洋科学的一个独立分支学科，始于19世纪末叶，但其下属一些分支的发展历史，却可追溯到自然地理学和海洋学的萌芽时代。海洋物理学发展史，可概括为三个阶段：海洋考察；早期的理论研究和观测仪器的研制；现代海洋学。 早在公元前三世纪，希腊学者毕塞亚斯在北海考察

2、中，就初步进行了潮汐和地磁偏角的观测，但是专门的海洋考察则始自19世纪。其中较著名的有闪电号(1868)、豪猪号(18691870)等的海洋考察。特别是英国挑战者号(18721876)具有划时代意义的环球海洋考察。 19世纪末至20世纪初，德国羚羊号对世界大洋的考察，法国劳动者号和法宝号对北大西洋的考察，美国企业号的环球考察，都涉及到海洋物理学的内容。这些考察，从实践上为海洋物理学的早期发展奠定了基础。 以后陆续出现许多专门的海洋考察活动，内容更加广泛和深入，例如德国流星号的南大西洋考察，美国卡内基号的地磁观测，瑞典信天翁号对三大洋赤道无风带的深海考察等，都从不同的方面促进了海洋物理学的发展。

3、 从17世纪到19世纪末叶，一些杰出的物理学家和数学家曾对海洋中的某些物理现象进行过研究，为海洋物理学中一些分支的形成和发展奠定了理论基础。 在潮汐理论方面。1687年，英国牛顿根据他发现的万有引力定律，用引潮力解释了潮汐的成因；1740年，瑞士伯努利建立了平衡潮学说；1775年，法国拉普拉斯建立了潮汐动力学理沦，给出了考虑地转偏向力影响的潮汐动力学方程组，及在特定条件下的特解；1845年，英国艾里提出了潮汐的长渠波动理论，并对其进行了较深入的研究；18721879年，英国汤姆逊(开尔文)设计了潮汐分析和预报的机械装置；18781891年，英国达尔文研究了地球潮汐，并提出了海洋潮汐分析和预报的

4、调和分析方法。 在波浪理论方面。1802年，捷克格尔斯特纳发表了深水表面波的理论；1839年，英国格林建立了小振幅波理论，并导出了以波长表示的相速公式；1847年，英国斯托克斯建立了有限振幅波理论和小振幅内波理论，后来在1876年又提出了与波动能量传播有关的群速公式。 1857年，英国汤姆逊(开尔文)首先导出了深海海水的绝热温度梯度公式；1898年，挪威皮耶克尼斯推广了理想斜压流体的环流定理，发表了适用于旋转地球上的环流定理。 在海洋声学研究方面。1825年，瑞士科拉东和法国斯图谟在日内瓦测量了声在水中的传播速度；1912年，美国费森登设计并制造了一种新型的动圈换能器，从而制成第一台水下发信和

5、回声探测设备。此后，又开始了声在海洋中的传播规律的研究。在海洋电磁理论方面。1831年，英国法拉第发现了电磁感应现象，并于1832年指出，在地磁场中流动的海水，就像在磁场中运动的金属导体一样，也会产生感应电动势；1851年，英国渥拉斯顿在横过英吉利海峡的海底电缆上，检测到与潮汐周期相同的电位变化，证实了法拉第的预言。 19世纪末叶到20世纪初，随着海洋调查的进一步发展，海洋物理学的研究进入了一个新的发展阶段。这一阶段的主要标志是，应用流体动力学的方法来研究海洋环流。例如，1902年，挪威桑德斯特勒姆和海兰汉森基于旋转地球上的环流定理，发展了在现代海洋环流研究和海洋调查中广泛应用的动力计算方法。

6、1901年和1905年，瑞典埃克曼对美国莫里在1855年指出的海面风和表层海流之间的关系，作出了理论的解释，从而建立了风漂流理论。 自此以后，海洋物理学的研究即以海洋环流理论研究为重点，密切结合水文物理和化学要素的观测实验，不断地向前发展。 20世纪60年代以来，随着科学技术的迅速发展，海洋物理要素的调查监测技术和研究设备日益完善，各种海洋过程的理论模式和海洋信息处理系统相继建立，以浮标阵为主体的海上现场对测试验，及包括航天遥感技术在内的新技术，得到广泛应用，都有力地促进了现代海洋物理学的研究，沿着理论和观测实验紧密结合的途径向前发展。海洋物理学基本内容 海洋物理学的主要研究海水各类运动和海洋

7、与大气及岩圈的相互作用的规律，为海况和天气的监测及预报提供依据；研究海洋中的声、光、电现象和过程，以掌握其变化和机制；研究海洋探测的各种物理学方法，从而实现有计划地在海上进行现场的专题观测和实验。通过这三方面的研究，形成了海洋物理学中一系列的分支学科 ，其中主要的有物理海洋学、海洋气象学、海洋声学、海洋光学、海洋电磁学和河口海岸带动力学等等。 物理海洋学是现代海洋物理学中最早发展起来的一个分支学科，其研究内容最为广泛。物理海洋学主要研究发生在海洋中的流体动力学和热力学过程，其中包括海洋中的热量平衡和水量平衡，海水的温度、盐度和密度等海洋水文状态参数的分布和变化，海洋中各种类型和各种时空尺度的海

8、水运动(如海流、海浪、潮汐、内波、风暴潮、海水层结的细微结构和湍流等)及其相互作用的规律等等。 海洋气象学是物理海洋学和气象学密切结合的一个边缘学科，它主要研究发生在诲洋和大气边界层中的热量、动量和物质交换过程，海洋与大气的大。中尺度相互作用和中、长期的海况及气候变迁规律，海上天气过程和现象，特别是危险性天气过程的预报。 海洋声学是研究声波在海洋水层、沉积层和海底岩层中的传播规律，及在海洋探测和海洋开发中的应用的学科，其主要研究内容包括海洋中声的传播和声速分布、声吸收和声散射、海洋中的自然噪声、海洋水层中的声学探测。海底声学特性和海底声学勘探等等。 海洋电磁学主要研究海洋的电磁特性，海洋中的天

9、然电磁场和电磁波的运动形态及传播规律，电磁波在海洋探测和通信及海洋开发中的应用。 海洋光学的研究内容，在基础研究方面主要是海洋辐射传递过程的研究，以及海面光辐射、水中能见度、海水光学传递函数、激光与海水相互作用等研究；在应用研究方面主要是遥感、激光、水中照相工程等海洋探测方法和技术的研究 河口海岸带动力学主要研究河口地带和海岸地带中海水的各种运动规律，河口海岸带地形地貌的变化及产生这些变化的动力因素。这些研究对海岸防护、港口建筑等都有密切的关系。 此外，随着现代海洋资源开发和近岸海区海洋学研究的进一步发展，在海洋物理学的研究领域中，正在形成一些带有区域性的派生学科，如陆架物理海洋学等等。 海洋

10、物理学的发展，在很大程度上取决于观测技术和观测方法。现代海洋物理学的观测技术，将朝着自动化、遥感化的方向发展。人们将广泛利用人造卫星进行全球性海洋物理方面的观测，并建立国际间的计算机网络，以储存、交换和处理海洋观测数据。这些将促进海洋物理学的进一步发展。 海洋开发将是未来海洋科学的发展方向。在海洋农牧化、捕捞、海洋石油勘探、海洋能源利用等开发活动中，将不断对海洋物理学提出更高的要求。物理海洋学是运用物理学的观点和方法研究海洋中的力场、热盐结构、以及相关的各种机械运动的时空变化，并研究海洋中的物质交换、动量交换、能量的交换和转换的学科，是海洋物理学的一个分支学科。 物理海洋学所研究的对象，是人类

11、和生物赖以生存和生活的海洋中的物理环境。这种环境中的物理过程，与地球上的气候和天气的形成和变化、海洋生物的生存和生活、海洋中物质和热量的输送、海岸和海底的侵蚀和变化，以及海洋的交通运输和军事活动等，都有密切的关系。 在物理海洋学的理论研究中，主要是运用流体动力学和热力学的原理，对一些理想化的或经过简化的问题，通过解析求解，进行模式化的研究；对于比较复杂的问题，则借助于电子计算机进行数值模拟求解。在解析的和数值的求解手段以外，还可通过模型试验进行研究。由于海洋中的物理现象和过程，具有随机性，故常应用概率统计和随机过程的理论，对现场观测的数据进行分析和处理。 物理海洋学所研究的问题，可概括为海洋热

12、盐结构、海水宏观运动、海-气相互作用、海洋湍流四个主要方面。 海水热盐结构是研究海洋水体的热平衡和物质平衡、温度、盐度、压力、密度等的时空变化、铅直断面上的温度和密度分布、海洋中的海水混合、扩散和层结、锋面和跃层的形成、温度-盐度曲线和水团的生成、水团的边界(锋面)和混合、暖水和冷水间成篦齿状的水平交错排列、海冰的成因和消长，海水的绝热压缩、绝热膨胀和位温，海洋中等熵面的形成及其分布等。 海水宏观运动是研究重力场中海水的非周期性和周期性运动，一般又分为海洋环流、海洋波动和海洋潮汐三种，这是物理海洋学的主要研究对象。 海洋环流是研究风引起的海流和密度分布不均匀所产生的密度流、大洋环流中流旋的生成

13、和分布、大洋环流西向强化、海流的弯曲和变异、近赤道地区的流系结构、南极绕极流，大洋热盐环流，深海环流和与主跃层的关系，海水的辐散和辐合运动与升降流及朗缪尔环流等的关系，中尺度涡及其能量转换，冰漂流等特殊的流动现象，海洋对风应力等的反应，以及近岸海区的环流等等； 海洋波动是研究海浪的生成和消长，风浪中的能量，风速、风区、风时与海浪要素之间的关系，海浪谱及其源函数的结构，波-波非线性相互作用中的能量转移，海浪的折射、绕射和反射，海洋近岸波及其相应的沿岸流和高岸流，海洋中的罗斯比波、陆架拦获波和边缘波、海洋内波、海啸等等。 海洋潮汐是研究引潮力、引潮势和分潮之间的关系，潮汐静力学理论和潮汐动力学理论

14、，潮波方程及其数值解，潮汐分析和推算原理，海平面及其变化，风暴潮，港湾潮汐余流，浅海潮波和海底摩擦对潮流的影响，河口区的潮汐混合，以及潮汐表的制作，各种特殊海域的潮汐，潮流、潮汐和风暴潮的预报等。 海-气相互运动是研究海-气界面分子过程的动量、热量、水汽和其他物质的输送，近海面湍流边界层中的湍流能量方程，湍流的铅直结构，湍流边界层中各种参量的确定及边界层模式，大气与海洋间的动量和能量的传递，及其与风海流和风浪生成的关系，大尺度和中尺度的运动，及其相互作用与天气预报及海况预报的关系，海洋对大气的反馈作用对全球大气环流及气候变化的影响等。 海洋湍流是研究在海洋的上混合层、内层和近底边界层中的湍流发

15、生机制，风生漂流和内波场等流速铅直梯度与湍流发生的关系，海洋湍流的谱结构，湍流能量的转换和守恒，海洋湍流的局地相似性，在低纬度和中纬度海域形成温跃层时的表层水和下层水间的混合交换作用，以及由于双扩散等作用所导致的水温阶梯式分布和盐指现象等海洋细微结构。 物理海洋学与海洋科学中的许多分支学科有着密切的关系，例如：在研究海洋中的热盐结构、海流形成和热盐环流机制时，重要的是要了解海水的温度和盐度的分布和变化，从而了解海水密度的分布和变化，这就需要精确测定海水盐度；要确定海洋中的地转流无运动面的位置时，有时还须参照海洋中溶解氧的分布和含氧量最小的位置。 某些海洋生物，如海水中的浮游生物，或被海流携至远方，或栖息在某种海流之中，它们有时可用作确定海流分布及其位置的指标，因此物理海洋学的研究，也与生物海洋学发生联系。海岸的形状和海底的地形，会改变和影响海流的方向和速度，起着摩擦阻遏作用，还可导致海流不稳定，正因为如此，陆架波和边缘波也发生在近岸海域。然而海底摩擦的强弱和湍流边界层的形成，都取决于海底沉积物的性质和分布。 海底沉积物可以随海流迁移，故可以利用海洋沉积物的种类和来源，确定海流的来去动向。这些又都是物理海洋学和地质海洋学之间的联系。另外，海水的许多运动，都是由风驱动的，而且海洋对大气有着重要的影响，这就使物理海洋学和海洋气