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1、第四章 海水的性质,海水：是一种溶解多种无机盐、有机物质和气体以及含有许多悬浮物质的混合液体。,指海水中浓度小于10-6mg/kg的成分,来源有河流的输入、大气沉降、海底热泉等等,与纯水相比，海水多了什么？,水的重要作用,独特的化学性质 水具有溶解绝大部分物质的能力 水的化学性质是维持生命的根本所在。 实际上，所有生命体的主要部分都是水。例如，其重量占生命体总重量，在65%（人类）至95%（大部分植物）间变化。水是促进人体内各种化学反应的理想媒介。我们的血液（输送营养物质到全身并排出我们身体的垃圾）中85%的是水。 特殊的热特性气候（天气）调控器 可以储藏极大的热量。 水控制了地球热量的分布，
2、进而控制了地球的气候变化。,一、海水的热特性,水分子的结构特殊 水分子是高度极性分子极性键、水分子结构不对称 水分子之间又可因极性相互吸引，并通过氢键相互连接在一起。 水分子的结构导致水的特性极为特殊 水的溶解能力强 水的密度随温度变化 水的热性质特殊,温度：反映了物体内部分子运动平均动能的大小,热能： 是物体的所有分子无规则热运动的动能与相互之间势能的总和,三态的变化实际上是热量的吸收和释放的过程. 最根本的内在变化是其分子结构的改变,1、水的三态（相）变化,固态,液态,气态,在什么情况下水在固、液、气三相之间变化？,分子运动愈快,物体愈热，温度愈高;分子运动愈慢,物体愈冷,即温度愈低,吸收
3、热量、温度升高的过程,物质的状态（固、液、气三相）改变其最根本的内在变化是其分子结构的改变物质分子之间的附结程度发生改变。,海水的热特性,纯水：0度 海水更低,纯水： 100度 海水更高,水的温度上升一度所吸收的总的热量即为热容 单位质量的海水温度上升一度所吸收的热量即为比热容 水的热容最高，使得水（球）的温度的变化缓慢,1kg海水气化为同温度的蒸汽所需要的热量，称为海水的比蒸发潜热，单位为“焦/千克”。 比蒸发潜热在所有已知物质中最大,热膨胀系数会随温度与压力、盐度的升高而增大，比纯水略大,二 海水的压力,海水的静压力主要是由水柱的重量产生，由静力平衡方程式知,海洋学中压力(P)多用分巴为单
4、位（1 db= 0.1 bar = 105 dyn/cm2） 一个大气压（atm）=1.01325105帕= 1.01325106 dyn/cm2),一米海水柱所产生的海水压力近似于一分巴， 而一个大气压相当于承受十米水柱的重量， 所以海面下大约每隔十米压力增加一巴或是一大气压。,图 水压的力量。照片上左右两侧原来是一模一样的两个保丽龙杯，右侧的杯子只不过被放到海面下2642米深处然后再取回，可见水压的力量有多大，海洋仪器往往需能承受更大的压力。,三、海水的温度,表层海水的温度分布及变化明显受海洋中热量收支情况的制约,海水的温度,海水所吸收的热量主要来自太阳辐射能,海水的温度受什么影响控制？
5、海水所吸收或释放的热量,地球热收支即为:约四分之一的太阳辐射散射,约有五分之一被大气层吸收。5%被地表反射，而只有总入射量的45%被地表（海水）吸收。,地表所吸收的太阳辐射能随纬度变化的原因,同样大小的太阳能照射下，单位面积上低纬度的辐射强度要大于高纬度。 同样大小的一束太阳能穿越高纬度的大气圈所损耗的太阳能比低纬度多；也即是说，高纬度直达地面的太阳能的总量已经小于低纬度。 高纬度反射回去的量比低纬度大，被海面直接吸收的较小。 综上所述，高纬度地区海面最后能直接吸收的太阳能远小于赤道地区。,太阳辐射能与水温的季节变化,南北纬40到60度的区域，地表太阳辐射强度的年内变化极为明显，这是因为太阳光
6、线到达该纬度的角度随季节变化极为明显。 赤道地区的太阳辐射强度全年基本不变； 极地地区的太阳辐射能强度年内变化非常显著。,赤道地区水温季节变化约02，中纬度地区约为5-8，极地地区约为2-4。,海水的温度,地球表面（包括海水）所吸收的热量有什么变化特征？,热量,海水的温度,热量低纬高 高纬低,热量夏季高 冬季低,WHY？,水温的铅直分布,中、低纬度海域水温大体上随深度的增加呈不均匀递减，上层为混合层，水温较高，混合均匀，中层为水温迅速减少层温度跃层，水温梯度大，最下层为深水层，水温低，基本保持温度。 高纬度海域水体混合均匀，温度跃层不明显,重点：温度跃层,四海水的盐度,全球水量平衡,降水与蒸发
7、； 河流（地表径流）、地下水,结冰或溶冰,改变海水中溶解物质的总量或者海水的总量。,硝酸银滴定法求出氯度（即每公斤海水中氯离子（包括碘与溴）克数），盐度=0.03+1.80655氯度,整个大洋平均盐度为35（）,海水盐度的变化,表层海水盐度的平面空间分布纬度变化 WHY？取决于降水量和蒸发量之比 等等,海水盐度的空间变化,海水盐度的垂直分布（从海表到海底的变化特征） 盐度跃层：盐度在垂向上有一个明显的突变，这个突变位置大约在水面下300m到1000m之间，而通俗上将这个盐度迅速变化的水深层（水面以下300m1000m）称为盐跃层,时空变化是永恒的主题,南北回归线附近表层盐度最大，高低纬度地区盐
8、度最小,以南北回归线为最高，随纬度增高（向极地）和减少（向赤道），表层盐度减少。 海表盐度的分布取决于淡水的注入量与蒸发量的对比 全球盐度分布的差异性，大西洋更高，太平洋偏低,2）垂向上盐度变化,从海表到海底的层结结构：浅表层均匀，中上层盐度显著变化，到一定水深后（海洋深层）盐度又近似均匀分布。 高纬度地区和低纬度地区海水盐度在垂向水深上的变化有其明显不同的特征。 低纬度地区, 表层盐度相对较高, 从水面往下，随着水层深度的增加，盐度减小，到一定深度后水层盐度趋向于一个中间值. 而在高纬度地区，海表层盐度较低，水面以下，盐度有所增加，与高纬度地区相同深度处的盐度也趋向于同样大小的中间值。,盐度
9、层结的原因是影响海水盐度的各类过程如降水、径流等都发生在海洋表层，而对水面以下的深水部分影响很小。,五海水的密度,温度增加，密度会相应减少（由于热膨胀的影响）； 盐度增加，密度则增加（这是因为增加了更多的溶解物质，质量增加）； 压力增加，密度也增加（这是由于压力的对体积的压缩效应）。,概念,所谓海水状态方程是描述海水状态的参数温度、盐度、压力与密度或比容之间相互关系的数学表达式。,什么情况海水密度最大？ 什么温度下海水的密度最大？,海水的密度比纯水的密度大23%，开阔大洋中的海水密度为1.0221.030g/cm3。,不同水体间所存在的密度差异会导致水体下沉或上浮，引起水团间的相互运动,密度随
10、纬度的变化,海水密度是温度、盐度和压力的函数。在大洋上层，特别是表层，主要取决于海水的温度和盐度分布情况。,温度低、盐度高的海水是世界大洋密度最大的水体,最大密度出现在寒冷的极地海区,密度垂向上变化,垂向具有明显的跃层结构，但纬度差异明显： 低纬度地区， 表层密度相对较低，这是因为低纬度地区海表温度高； 海表以下直到水深300m处，密度无变化或变化很小（这是因为海水表层及一定深度受海流、波浪、潮汐等动力的混合作用，使上层密度及盐度等混合良好，温度和密度在垂向上变化很小，故又称该层海水为混合层）； 而在海面下3001000m处，海水密度迅速增加（低纬度海区海面下密度发生显著变化的水层称为密度跃层
11、）； 而在水深1000m以下，海水密度又维持一定的值不变，直到海底。 高纬度海区，海水密度在垂向上的变化很小或没有变化，密度的垂向变化曲线近似为一条直线。,重点：密度跃层,温、盐、密海水的圈层结构,温度：温度跃层（中低纬海域）,盐度：盐度跃层,密度：密度跃层（中低纬海域）,海水的层结：温度高、密度低的海水盘踞表层，温度低、密度高的海水位于海洋下层,海水中密度跃层一旦建立起来，就会阻止跃层上层的低密度海水与下层的高密度海水进行混合,盐跃层是海面下一定深度范围内盐度迅速变化的水层，而温跃层和密度跃层是指温度和密度迅速变化的水层。密度的差异造成了海水在垂向上的层化,六 海水的声学特性,声波（听到的声
12、音）、光波（看到的）和电磁波（如收音机和电视机接收的）等都可在海水中传播，但唯有声波衰减较小，所以水声技术被广泛应用于海洋研究、海洋开发和军事活动中。 声波在海水中传播速度比在空气中快。约为空气中四至五倍，平均1450m/s。,海水的声学特性,传播速度（声速或音速）快， 其传播速度受温度、盐度、压力的影响,声音在海水中的传播,传播过程中会反射、散射、折射。 介质或介面：海面、海底、不同密度面、悬浮物质,海水介质的吸收； 海中气泡、浮游生物和海水悬浮物质的散射； 波动海面的反射与散射； 海底沉积层的反射和吸收,海水中测量结果表明，盐度每增加1，声速值增加1.14m/s,当温度变化1时，声速的变化
13、是5m/s 。 海水的温度在017范围内每升高1其相应的声速度增加4.21m/s。,当深度变化100m时，声速约增加3.19m/s，海水中实测当深度变化100m时，声速约增加1.75m/s,影响声音传播速度的因素,温度,盐度,压力,音速V是海水温度、盐度、深度的函数，随空间位置不同其值亦变,经验公式可得，当海水深度变化245m时，其声速变化值相当于温度变化1或盐度变化4,温度对声音在大洋中的传播影响最大,表 声波在不同温度、盐度海水中的传播速度,注：适用深度约1020m。,温度对声音在大洋中的传播影响最大,声音从海面向海底传播 声速铅直剖面,温度（密度）从海面向下减小,压力从海面向下增加,盐度
14、从海面向下增加或减小,声速先随温度减小而变得缓慢，随后随压力增加而增加，海面以下某个位置出现一个声速极小值,(a)声速随深度变化的情形，注意在750m左右声速为最慢， (b)左图所对应的海水温、盐度垂直剖面分布。,声速最小层位置 在大西洋约12001300m， 太平洋则只有9001000m左右， 某些热带海域可深达2000m， 而温带海域则在200500m， 在两极海域，因水温随水深的变化不大，声速最小层位于海面附近。,声速为正梯度时水下声源发出的声线向海面弯曲；声速为负梯度时声线向海底方向弯曲。,声线没有经过海底而弯向海面反射回来，在此情况下不存在海底吸收和散射，这种声线传播路径称为海洋中声
15、的波导传播。,海洋声音传播中有意思的现象,声速 最小层,声音的 波导传播,水下 声学通道,图将声源放在声速极小值区内则声波可以传到很远的地方，这个区域称为声学信道或是SOFAR(SOund Fixing And Ranging)信道， 可替水下物体定位。,Sound Channel（声学通道）：海洋水层中声速有一极小值区，在此会形成波导现象(Wave guide)，声波在此层中传播时能量不易发散，往往可传至数千公里外。,如果中央水层声速快，则声波会在表层产生导管效应(Sound duct)，水面船舶声纳所发出的声波在表层可以传播很远，但却无法穿入中层海水因此形成了荫影区，见下图。,从声能方面分
16、析，自声源辐射的大部分声线都没有经过海底和海面的反射，除去小部分由于传播过程中海水介质的吸收和散射外，总能量损失极小，因而可以传播较远距离。即由于声波能量相对集中于该层上下，损失很小，故可使其传播距离大大超过通常的传播距离，甚至可达数百倍，这一水层称为大洋声学通道。,另一现象水下散射层DSL (Deep Scatter Layer),海中许多小型节肢动物（如小型虾类）常结群聚集，此等生物具有避旋光性，其所处深度会随时间变动。这些生物对音波会产生强烈的散射作用。,图 测深仪的回迹信号，中层的强烈散射回迹(棕黑色)即为DSL，下方连续回迹则为海床以及海床的二次回迹。,大量以声波为主的海洋探测设备相继问世。例如， 利用回波强度和回波时间遥测海洋参数的声波测深仪和回声鱼探仪； 用水下爆炸回波勘探海底分层结构及石油蕴藏的地震剖面仪； 用旁视
