第4章 海水的性質(zhì)-2013

1、第四章 海水的性質(zhì)n海水：是一種溶解多種無(wú)機(jī)鹽、無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)物質(zhì)和氣體有機(jī)物質(zhì)和氣體以及含有許多懸懸浮物質(zhì)浮物質(zhì)的混合混合液體。主要成分主要成分溶解氣體溶解氣體營(yíng)養(yǎng)元素營(yíng)養(yǎng)元素有機(jī)物質(zhì)有機(jī)物質(zhì)微量元素微量元素海水的化學(xué)組成海水的化學(xué)組成海水是一種非常海水是一種非常復(fù)雜的多組分溶復(fù)雜的多組分溶液液指海水中濃度小于10-6mg/kg的成分來(lái)源有河流的來(lái)源有河流的輸入、大氣沉輸入、大氣沉降、海底熱泉降、海底熱泉等等等等與純水相比，海水多了什么？水的重要作用n獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)q水具有溶解絕大部分物質(zhì)的能力q水的化學(xué)性質(zhì)是維持生命的根本所在。n實(shí)際上，所有生命體的主要部分都是水。例如，其重量占生命體總重量

2、，在65%（人類(lèi)）至95%（大部分植物）間變化。水是促進(jìn)人體內(nèi)各種化學(xué)反應(yīng)的理想媒介。我們的血液（輸送營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)到全身并排出我們身體的垃圾）中85%的是水。n特殊的熱特性氣候（天氣）調(diào)控器q可以?xún)?chǔ)藏極大的熱量。q水控制了地球熱量的分布，進(jìn)而控制了地球的氣候變化。一、海水的熱特性l水分子的結(jié)構(gòu)特殊水分子的結(jié)構(gòu)特殊q水分子是高度極性分子極性鍵、水分子結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)q水分子之間又可因極性相互吸引，并通過(guò)氫鍵氫鍵相互連接在一起。q水分子的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致水的特性極為特殊n水的溶解能力強(qiáng)n水的密度隨溫度變化n水的熱性質(zhì)特殊溫度：反映了物體內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的大小 熱能： 是物體的所有分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能與相互之間

3、勢(shì)能的總和 三態(tài)的變化實(shí)際上是熱量的吸收和釋放的過(guò)程.最根本的內(nèi)在變化是其分子其分子結(jié)構(gòu)的改變結(jié)構(gòu)的改變1、水的三態(tài)（相）變化固態(tài)液態(tài)氣態(tài)在什么情況下水在固、液、氣三相之間變化？分子運(yùn)動(dòng)愈快,物體愈熱，溫度愈高;分子運(yùn)動(dòng)愈慢,物體愈冷,即溫度愈低 吸收熱量、溫度升高的過(guò)程n物質(zhì)的狀態(tài)（固、液、氣三相）改變其最根本的內(nèi)在變化是其分子結(jié)構(gòu)的改變其分子結(jié)構(gòu)的改變物質(zhì)分子之間的附結(jié)程度發(fā)生改變。 海水的熱特性冰點(diǎn)冰點(diǎn)（溶解點(diǎn)）（溶解點(diǎn)）熱容熱容潛熱潛熱其它：其它：熱膨脹熱膨脹、熱傳導(dǎo)等、熱傳導(dǎo)等沸點(diǎn)沸點(diǎn)/壓縮點(diǎn)壓縮點(diǎn)水的熱特性水的熱特性水分子結(jié)構(gòu)水分子結(jié)構(gòu)溫度、鹽度、壓溫度、鹽度、壓力的函數(shù)力的函數(shù)純

4、水：純水：0度度海水更低海水更低純水：純水： 100度度海水更高海水更高水的溫度上升一度所吸收的總的熱量即為熱容單位質(zhì)量的海水溫度上升一度所吸收的熱量即為比熱容水的熱容最高，使得水（球）的溫度的變化緩慢水的熱容最高，使得水（球）的溫度的變化緩慢n1kg海水氣化為同溫度的蒸汽所需要的熱量，稱(chēng)為海水的比蒸發(fā)比蒸發(fā)潛熱潛熱，單位為“焦/千克”。n比蒸發(fā)潛熱在所有已知物質(zhì)中最大熱膨脹系數(shù)會(huì)隨會(huì)隨溫度與壓力、鹽溫度與壓力、鹽度的升高而增大，度的升高而增大，比純水略大比純水略大二二 海水的壓力海水的壓力n海水的靜壓力主要是由水柱的重量產(chǎn)生，由靜力平衡方程式知 zdzgzP0q海洋學(xué)中壓力(P)多用分巴分巴

5、為單位（1 db= 0.1 bar = 105 dyn/cm2）q一個(gè)大氣壓（atm）=1.01325105帕= 1.01325106 dyn/cm2)一米海水柱所產(chǎn)生的海水壓力近似于一分巴，一米海水柱所產(chǎn)生的海水壓力近似于一分巴，而一個(gè)大氣壓相當(dāng)于承受十米水柱的重量，而一個(gè)大氣壓相當(dāng)于承受十米水柱的重量，所以海面下大約每隔十米壓力增加一巴或是一大氣壓。所以海面下大約每隔十米壓力增加一巴或是一大氣壓。圖 水壓的力量。照片上左右兩側(cè)原來(lái)是一模一樣的兩個(gè)保麗龍杯，右側(cè)的杯子只不過(guò)被放到海面下2642米深處然后再取回，可見(jiàn)水壓的力量有多大，海洋儀器往往需能承受更大的壓力。三、海水的溫度表層海水的溫度

6、分布及變化明顯受海洋中熱量收支情況的制約 海水的溫度海水所吸收的熱量主要來(lái)自太陽(yáng)輻射能 海水的溫度受什么影響控制？海水所吸收或釋放的熱量地球熱收支即為:約四分之一的太陽(yáng)輻射散射,約有五分之一被大氣層吸收。5%被地表反射，而只有總?cè)胫挥锌側(cè)肷淞康纳淞康?5%被地表被地表（海水）吸收。（海水）吸收。 地表所吸收的太陽(yáng)輻射能隨緯度變化的原因n同樣大小的太陽(yáng)能照射下，單位面積上低緯度的輻射強(qiáng)度要大于高緯度。n同樣大小的一束太陽(yáng)能穿越高緯度的大氣圈所損耗的太陽(yáng)能比低緯度多；也即是說(shuō)，高緯度直達(dá)地面的太陽(yáng)能的總量已經(jīng)小于低緯度。n高緯度反射回去的量比低緯度大，被海面直接吸收的較小。n綜上所述，高緯度地區(qū)海

7、面最后能直接吸收的太陽(yáng)能遠(yuǎn)小于赤道地區(qū)。太陽(yáng)輻射能與水溫的季節(jié)變化太陽(yáng)輻射能與水溫的季節(jié)變化 n南北緯40到60度的區(qū)域，地表太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的年內(nèi)變化極為明顯，這是因?yàn)樘?yáng)光線到達(dá)該緯度的角度隨季節(jié)變化極為明顯。n赤道地區(qū)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度全年基本不變；n極地地區(qū)的太陽(yáng)輻射能強(qiáng)度年內(nèi)變化非常顯著。赤道地區(qū)水溫季節(jié)變化約02，中緯度地區(qū)約為5-8，極地地區(qū)約為2-4。 海水的溫度水溫水溫水溫在垂向上有什么變化特征？緯度變化緯度變化季節(jié)變化季節(jié)變化日變化日變化緯度變化緯度變化季節(jié)變化季節(jié)變化日變化日變化地球表面（包括海水）所吸收的熱量有什么變化特征？熱量海水的溫度熱量低緯高熱量低緯高高緯低高緯低熱量夏季

8、高熱量夏季高冬季低冬季低WHY？水溫的鉛直分布水溫的鉛直分布 n中、低緯度海域水溫大體上隨深度的增加呈不均勻遞減，上層為混合層，水溫較高，混合均勻，中層為水溫迅速減少層溫度躍層，水溫梯度大，最下層為深水層，水溫低，基本保持溫度。n高緯度海域水體混合均勻，溫度躍層不明顯 重點(diǎn)：溫度躍層重點(diǎn)：溫度躍層四海水的鹽度海水的鹽度n全球水量平衡全球水量平衡降水與蒸發(fā)；降水與蒸發(fā)；河流（地表徑河流（地表徑流）、地下水流）、地下水結(jié)冰或溶冰結(jié)冰或溶冰定義定義鹽度將海水中一切碳化物（碳酸鹽）、溴及碘化物等均代換為氯化物，同時(shí)將所有有機(jī)物完全氧化，則一公斤海水中所含有的固體物質(zhì)總克數(shù)即為鹽度。測(cè)量方法測(cè)量方法干燥

9、法（最不準(zhǔn)）、化學(xué)滴定法以及間接法影響海水鹽度的過(guò)程影響海水鹽度的過(guò)程降水、地表徑流（河流）、冰川融化、蒸發(fā)、結(jié)冰所有這些過(guò)程發(fā)生在海表層，影響表層鹽度改變海水中溶解物改變海水中溶解物質(zhì)的總量或者海水質(zhì)的總量或者海水的總量的總量。硝酸銀滴定法求硝酸銀滴定法求出氯度出氯度（即每公斤海水中氯離子（包括碘與溴）克數(shù)），鹽度鹽度=0.03+1.80655氯度氯度整個(gè)大洋平均鹽度為整個(gè)大洋平均鹽度為35（）海水鹽度的變化海水鹽度的變化表層海水鹽度的表層海水鹽度的平面空間分布平面空間分布緯度變化緯度變化 WHY？取決于？取決于降水量和蒸發(fā)量降水量和蒸發(fā)量之比之比等等等等海水鹽度的空間變化海水鹽度的空間變化

10、海水鹽度的垂直分布（從海表到海底的變化特征）鹽度躍層：鹽度在垂向上鹽度在垂向上有一個(gè)明顯的突變，這個(gè)突變有一個(gè)明顯的突變，這個(gè)突變位置大約在水面下位置大約在水面下300m到到1000m之間，而通俗上將這個(gè)之間，而通俗上將這個(gè)鹽度迅速變化的水深層（水面鹽度迅速變化的水深層（水面以下以下300m1000m）稱(chēng)為鹽躍）稱(chēng)為鹽躍層層時(shí)空變化是永恒的主題時(shí)空變化是永恒的主題南北回歸線附近表層鹽度最大，南北回歸線附近表層鹽度最大，高低緯度地區(qū)鹽度最小高低緯度地區(qū)鹽度最小n以南北回歸線為最高，以南北回歸線為最高，隨緯度增高（向極地）隨緯度增高（向極地）和減少（向赤道），和減少（向赤道），表層鹽度減少。表層鹽

11、度減少。n海表鹽度的分布取決海表鹽度的分布取決于淡水的注入量與蒸于淡水的注入量與蒸發(fā)量的對(duì)比發(fā)量的對(duì)比 n全球鹽度分布的差異性，大西洋更高，太平洋偏低 2）垂向上鹽度變化n從海表到海底的層結(jié)結(jié)構(gòu)：淺表層均勻，中上層鹽度顯著變化，到一定水深后（海洋深層）鹽度又近似均勻分布。q高緯度地區(qū)和低緯度地區(qū)海水鹽度在垂向水深上的變化有其明顯不同的特征。n低緯度地區(qū), 表層鹽度相對(duì)較高, 從水面往下，隨著水層深度的增加，鹽度減小，到一定深度后水層鹽度趨向于一個(gè)中間值.n而在高緯度地區(qū)，海表層鹽度較低，水面以下，鹽度有所增加，與高緯度地區(qū)相同深度處的鹽度也趨向于同樣大小的中間值。鹽度層結(jié)的原因是影響海水鹽度的

12、各類(lèi)鹽度層結(jié)的原因是影響海水鹽度的各類(lèi)過(guò)程如降水、徑流等都發(fā)生在海洋表層，過(guò)程如降水、徑流等都發(fā)生在海洋表層，而對(duì)水面以下的深水部分影響很小。而對(duì)水面以下的深水部分影響很小。五海水的密度五海水的密度溫度增加，密度會(huì)相應(yīng)溫度增加，密度會(huì)相應(yīng)減少（由于熱膨脹的影減少（由于熱膨脹的影響）；響）；鹽度增加，密度則增加鹽度增加，密度則增加（這是因?yàn)樵黾恿烁啵ㄟ@是因?yàn)樵黾恿烁嗟娜芙馕镔|(zhì)，質(zhì)量增的溶解物質(zhì)，質(zhì)量增加）；加）；壓力增加，密度也增加壓力增加，密度也增加（這是由于壓力的對(duì)體（這是由于壓力的對(duì)體積的壓縮效應(yīng)）。積的壓縮效應(yīng)）。概念概念所謂海水狀態(tài)方程所謂海水狀態(tài)方程是描述海水狀態(tài)的是描述海水狀態(tài)

13、的參數(shù)溫度、鹽度、參數(shù)溫度、鹽度、壓力與密度或比容壓力與密度或比容之間相互關(guān)系的數(shù)之間相互關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。學(xué)表達(dá)式。什么情況海水密度什么情況海水密度最大？最大？什么溫度下海水的什么溫度下海水的密度最大？密度最大？海水的密度比純水的密度大23%，開(kāi)闊大洋中的海水密度為1.0221.030g/cm3。不同水體間所存在的不同水體間所存在的密度差異會(huì)導(dǎo)致水體密度差異會(huì)導(dǎo)致水體下沉或上浮，引起水下沉或上浮，引起水團(tuán)間的相互運(yùn)動(dòng)團(tuán)間的相互運(yùn)動(dòng)密度隨緯度的變化n海水密度是溫度、鹽度和壓力的函數(shù)。在大洋上層，特別是表層，主要取決于海水的溫度和鹽度分布情況。 溫度低、鹽度高的海水是世界大洋密度最大的水體最大密

14、度出現(xiàn)在寒冷的極地海區(qū)最大密度出現(xiàn)在寒冷的極地海區(qū) 密度垂向上變化n垂向具有明顯的躍層結(jié)構(gòu)，但緯度差異明顯：垂向具有明顯的躍層結(jié)構(gòu)，但緯度差異明顯：q低緯度地區(qū)低緯度地區(qū)，n表層密度相對(duì)較低，這是因?yàn)榈途暥鹊貐^(qū)海表溫度高；n海表以下直到水深300m處，密度無(wú)變化或變化很?。ㄟ@是因?yàn)楹Ｋ韺蛹耙欢ㄉ疃仁芎Ａ鳌⒉ɡ?、潮汐等?dòng)力的混合作用，使上層密度及鹽度等混合良好，溫度和密度在垂向上變化很小，故又稱(chēng)該層海水為混合層）；n而在海面下3001000m處，海水密度迅速增加（低緯度海區(qū)海面下密度低緯度海區(qū)海面下密度發(fā)生顯著變化的水層稱(chēng)為密度躍層發(fā)生顯著變化的水層稱(chēng)為密度躍層）；n而在水深1000m以下，海

15、水密度又維持一定的值不變，直到海底。q高緯度海區(qū)高緯度海區(qū)，海水密度在垂向上的變化很小或沒(méi)有變化，密度的垂向變化曲線近似為一條直線。 重點(diǎn)：密度躍層重點(diǎn)：密度躍層溫、鹽、密海水的圈層結(jié)構(gòu)溫度：溫度躍層（中低緯海域）溫度：溫度躍層（中低緯海域）鹽度：鹽度躍層鹽度：鹽度躍層密度：密度躍層（中低緯海域）密度：密度躍層（中低緯海域）海水中密度躍層一旦建立起來(lái)，就會(huì)阻止躍層上層的低密度海水與下層的高密度海水進(jìn)行混合鹽躍層是海面下一定深度范圍內(nèi)鹽度迅速變化的水層，而溫躍層和密度躍層是指溫度和密度迅速變化的水層。密度的差異造成了海水在垂向上的層化六六 海水的聲學(xué)特性海水的聲學(xué)特性n聲波（聽(tīng)到的聲音）、光波（

16、看到的）和電磁波（如收音機(jī)和電視機(jī)接收的）等都可在海水中傳播，但唯有聲波衰減較小，所以水聲技術(shù)被廣泛應(yīng)用于海洋研究、海洋開(kāi)發(fā)和軍事活動(dòng)中。n聲波在海水中傳播速度比在空氣中快。約為空氣中四至五倍，平均1450m/s。海水的聲學(xué)特性海水的聲學(xué)特性傳播速度（聲速傳播速度（聲速或音速）快，或音速）快，其傳播速度受溫其傳播速度受溫度、鹽度、壓力度、鹽度、壓力的影響的影響聲音在海水中的傳播傳播過(guò)程中會(huì)反傳播過(guò)程中會(huì)反射、散射、折射。射、散射、折射。介質(zhì)或介面：海介質(zhì)或介面：海面、海底、不同面、海底、不同密度面、懸浮物密度面、懸浮物質(zhì)質(zhì)海水介質(zhì)的吸收；海中氣泡、浮游生物和海水懸浮物質(zhì)的散射；波動(dòng)海面的反射與

17、散射；海底沉積層的反射和吸收海水中測(cè)量結(jié)果表明，鹽度每增加1，聲速值增加1.14m/s當(dāng)溫度變化當(dāng)溫度變化1時(shí)，聲速的變時(shí)，聲速的變化是化是5m/s 。海水的溫度在017范圍內(nèi)每升高每升高1其相其相應(yīng)的聲速度增應(yīng)的聲速度增加加4.21m/s。當(dāng)深度變化100m時(shí)，聲速約增加3.19m/s，海水中實(shí)測(cè)當(dāng)深度變化100m時(shí)，聲速約增加1.75m/s影響聲音傳播速度的因素溫度鹽度壓力音速音速V是是海水溫度、鹽度、深度的函數(shù)海水溫度、鹽度、深度的函數(shù)，隨空間位置不同其值亦變經(jīng)驗(yàn)公式可得，當(dāng)海水深度變化經(jīng)驗(yàn)公式可得，當(dāng)海水深度變化245m時(shí)，其聲速變化值相當(dāng)于溫度變化時(shí)，其聲速變化值相當(dāng)于溫度變化1或鹽

18、度變化或鹽度變化4溫度對(duì)聲音在大洋中的傳播影響最大溫度對(duì)聲音在大洋中的傳播影響最大表表 聲波在不同溫度、鹽度海水中的傳播速聲波在不同溫度、鹽度海水中的傳播速度度 注：適用深度約1020m。溫度對(duì)聲音在大洋中的傳播影響最大溫度對(duì)聲音在大洋中的傳播影響最大聲音從海面向海底傳播聲音從海面向海底傳播聲速鉛直剖面聲速鉛直剖面溫度（密度）從海面向下減小溫度（密度）從海面向下減小壓力從海面向下增加壓力從海面向下增加鹽度從海面向下增加或減小鹽度從海面向下增加或減小聲速先隨溫度減小而變得緩慢，隨后隨壓力增加而增加，海面以下某個(gè)位置出現(xiàn)一個(gè)聲速極小值(a)聲速隨深度變化的情形，注意在750m左右聲速為最慢，(b)

19、左圖所對(duì)應(yīng)的海水溫、鹽度垂直剖面分布。 聲速最小層位置n在大西洋約12001300m，n太平洋則只有9001000m左右，n某些熱帶海域可深達(dá)2000m，n而溫帶海域則在溫帶海域則在200500m，n在兩極海域，因水溫隨水深的兩極海域，因水溫隨水深的變化不大，聲速最小層位于海變化不大，聲速最小層位于海面附近面附近。 聲速為正梯度時(shí)水下聲源發(fā)出的聲線向海面彎曲；聲速為負(fù)梯度時(shí)聲線向海底方向彎曲。聲線沒(méi)有經(jīng)過(guò)海底而彎向海面反射回來(lái)，在此情況下不存在海底吸收和散射，這種聲線傳播路徑稱(chēng)為海洋中聲的波導(dǎo)傳播波導(dǎo)傳播。海洋聲音傳播中有意思的現(xiàn)象聲速最小層聲音的波導(dǎo)傳播水下聲學(xué)通道圖將聲源放在聲速極小值區(qū)內(nèi)

20、則聲波可以傳到很遠(yuǎn)的地方，這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為聲學(xué)信道或是SOFAR(SOund Fixing And Ranging)信道，可替水下物體定位。 Sound Channel（聲學(xué)通（聲學(xué)通道）：道）：海洋水層中聲速有一極小值區(qū)，在此會(huì)形成波導(dǎo)現(xiàn)象(Wave guide)，聲波在此層中傳播時(shí)能量不易發(fā)散，往往可傳至數(shù)千公里外。如果中央水層聲速快，則聲波會(huì)在表層產(chǎn)生導(dǎo)管效應(yīng)(Sound duct)，水面船舶聲納所發(fā)出的聲波在表層可以傳播很遠(yuǎn)，但卻無(wú)法穿入中層海水因此形成了蔭影區(qū)，見(jiàn)下圖。從聲能方面分析，自聲源輻射的大部分聲線都沒(méi)有經(jīng)過(guò)海底和海面的反射，除去小部分由于傳播過(guò)程中海水介質(zhì)的吸收和散射外，總能量

21、損失極小，因而可以傳播較遠(yuǎn)距離。即由于聲波能量相對(duì)集中于該層上下，損失很小，故可使其傳播距離大大超過(guò)通常的傳播距離，甚至可達(dá)數(shù)百倍，這一水層稱(chēng)為大洋聲學(xué)通道。另一現(xiàn)象水下散射層DSL (Deep Scatter Layer)n海中許多小型節(jié)肢動(dòng)物（如小型蝦類(lèi)）常結(jié)群聚集，此等生物具有避旋光性，其所處深度會(huì)隨時(shí)間變動(dòng)。這些生物對(duì)音波會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的散射作用。圖 測(cè)深儀的回跡信號(hào)，中層的強(qiáng)烈散射回跡(棕黑色)即為DSL，下方連續(xù)回跡則為海床以及海床的二次回跡。n大量以聲波為主的海洋探測(cè)設(shè)備相繼問(wèn)世。例如，q利用回波強(qiáng)度和回波時(shí)間遙測(cè)海洋參數(shù)的聲波測(cè)深儀和回聲魚(yú)探儀；q用水下爆炸回波勘探海底分層結(jié)構(gòu)及石

22、油蘊(yùn)藏的地震剖面儀；q用旁視聲吶測(cè)繪海底地貌圖的地貌儀、潛艇冰下導(dǎo)航的探冰儀；q測(cè)海面變化和波浪的波高儀以及利用聲在不均勻介質(zhì)上散射來(lái)監(jiān)測(cè)內(nèi)波；q利用聲在運(yùn)動(dòng)介質(zhì)中傳播速度變化的多譜勒海流計(jì)q放置水下接收極遠(yuǎn)處傳來(lái)次聲的風(fēng)暴和海嘯次聲預(yù)報(bào)系統(tǒng)。n世界各國(guó)對(duì)聲學(xué)在海洋中的應(yīng)用和設(shè)備研制投資也越來(lái)越多。 七七 海水的光學(xué)特性海水的光學(xué)特性n海洋光學(xué)是光學(xué)與海洋學(xué)之間的交叉學(xué)科和邊緣學(xué)科。主要研究海洋水體的光學(xué)性質(zhì)、光在海中的傳播規(guī)律海洋水體的光學(xué)性質(zhì)、光在海中的傳播規(guī)律、激光與海水的相互作用以及光學(xué)波段探測(cè)海洋的方法與技術(shù)。 n日光輻射進(jìn)入大氣層后，經(jīng)層層剝削（O3吸收， CO2、H2O吸收、散射

23、、反射）到達(dá)海面時(shí)，一部份反射回大氣層，另部份漫射回大氣層，其余部份則穿入表面水層，進(jìn)入海洋內(nèi)部部份則穿入表面水層，進(jìn)入海洋內(nèi)部。1、基本概念n海水的透明度：19世紀(jì)初，人們?cè)谶M(jìn)行海洋調(diào)查時(shí)，用一個(gè)直徑30cm的白色圓盤(pán)(透明度盤(pán))垂直沉入海水中，直到剛剛看不見(jiàn)為止時(shí)的深度，這一深度叫海水的透明度。n海水的顏色水色：將透明度盤(pán)提升至透明度一半深度處，俯視透明度盤(pán)之上水柱的顏色，稱(chēng)為海水的水色。 n海水顏色的概念：海色和水色海色和水色。q海水的顏色簡(jiǎn)稱(chēng)水色，它是指為了最大限度地減少反射光(白光)的成分而從海面正上方所看到的海水的顏色；q而海色則是指以反射、散射等多種光譜從海面映射出來(lái)的色彩，它與

24、太陽(yáng)高度、天空狀況、海底、地質(zhì)和海洋水文條件等有著密切關(guān)系。 2光在海水中的衰減光在海水中的衰減特征：光進(jìn)入海特征：光進(jìn)入海水中后，其光能水中后，其光能迅速衰減；清水迅速衰減；清水可見(jiàn)光譜中可見(jiàn)光譜中以波長(zhǎng)介于0.40.75間的藍(lán)光衰減最慢，紅光最快。光在海水中的衰減光在海水中的衰減原因：海水的消原因：海水的消光作用：即海水光作用：即海水對(duì)光的吸收和懸對(duì)光的吸收和懸浮物質(zhì)的散射作浮物質(zhì)的散射作用用圖 海水對(duì)可見(jiàn)光的消光作用日光入射海面后，紅光在最淺的幾公分水層內(nèi)便被吸收光了，黃色光與綠色光可達(dá)到較深水層，藍(lán)光與紫外光可穿至更深水層。消光作用海水的散射和吸收n光在海水中傳播時(shí)，因受介質(zhì)微粒作用，

25、會(huì)偏離原來(lái)直線傳播的方向而發(fā)生散射。海水中含有許多懸浮物質(zhì)，其直徑遠(yuǎn)大于光波的波長(zhǎng)，所引起散射效應(yīng)明顯。吸收使光在海水中衰減，但與散射過(guò)程有著本質(zhì)的不同。n散射作用主要改變了光的傳播方向，使光柱能量變得散亂而不集中，而吸收作用則使能量的存在形式發(fā)生了變化，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽ü饽苻D(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，是海洋中的主要吸收機(jī)制）或化學(xué)能（例如光合作用，是海洋生命維系的重要環(huán)節(jié)）。散射作用與吸收作用合稱(chēng)為消光作用(Extinction)。圖 在不同的海域里，不同顏色的光所能 穿透的深度 某一波段的光被海水吸收，看不見(jiàn)，可看見(jiàn)的是被反射或散射回來(lái)的光。試驗(yàn)表明，近岸地區(qū)海水渾濁，含有大量的腐質(zhì)壤，這些黃質(zhì)(Yel

26、low Substance) 所造成的散射與吸收作用對(duì)短波部份較強(qiáng)，故近岸地區(qū)的海水其消光作用與純海水或純水又有所不同，短波（藍(lán)光）部份甚易被吸收。渾濁海水的消光作用：海水中的懸浮物質(zhì)對(duì)光的吸收作用有很大影響3 海水的顏色海水的顏色n請(qǐng)大家告訴我，你看到過(guò)什么顏色的海呢？比如張惠妹有一首“聽(tīng)?！睂?xiě)信告訴我，今天海是什么顏色？夜夜陪著你的海，心情又如何？灰色是不想說(shuō)，藍(lán)色是憂郁，n那在你們的眼中，海應(yīng)該是什么顏色呢？為什么會(huì)是這種顏色？東北季風(fēng)期間石油平臺(tái)在外海作業(yè)情形。海的顏色變了沒(méi)有？東北季風(fēng)期間，中國(guó)石油公司所租用的船 OSA Ostend外海待命作業(yè)情形。跟上一張圖片比較，海水是不是變得

27、更綠了。海又是什么顏色呢 直升機(jī)在外?？罩兴鶖z，海面漂浮著泥漿狀物質(zhì)。顏色如何？ 傍晚時(shí)刻的海域，海面反映日落天空色彩，照片左側(cè)海面略呈金黃色直升飛機(jī)上所攝海岸景色，近岸海水為黃褐色，遠(yuǎn)岸則為藍(lán)綠色 冬季東北季風(fēng)盛行時(shí)(拍照時(shí)風(fēng)力約7至8級(jí))所攝，注意海水的顏色呈藍(lán)綠色，這是冬季大陸沿岸海水典型的顏色。n真正海水的顏色是由于日光經(jīng)過(guò)海水的吸收與海水中懸浮物質(zhì)的散射、吸收與反射后所生的結(jié)果。n我們所看到的顏色還受到云彩或天空的反射（如日出、日落、天際云彩變幻所產(chǎn)生海水顏色的變化）n世界上有四個(gè)海是以海色命名的，即黃海（黃色物質(zhì)）、紅海（紅色早、黑海和白海。n如懸浮粒子甚小，因短波光線最易散射，故

28、最易顯現(xiàn)光譜中短波部份（藍(lán)光），如深海懸浮粒子小，海水顏色常呈藍(lán)色。n如懸浮粒子體積加大，則散射光會(huì)聚集，加成為白光，而使海水基本色（藍(lán)色）變淺而呈綠色。大形懸浮質(zhì)點(diǎn)甚多的海洋，質(zhì)點(diǎn)表面易發(fā)生反射與吸收上層的穿透光，故多呈質(zhì)點(diǎn)本身顏色，如黃海的黃色（泥沙），波斯灣的綠色以及紅海的紅色（因有束毛藻繁盛而使海水呈紅褐色）則是由于浮游生物（大型粒子）密集之故。 n由此可見(jiàn)，海水消光作用和海水中懸浮物質(zhì)的存在對(duì)海水顏色多樣化的影響。 n海水的顏色同時(shí)也因?yàn)樘炜疹伾约昂Ｃ鏍顩r的變化而發(fā)生變化。q例如：熱帶或亞熱帶海水為深藍(lán)色（如黑潮海域），高緯度地區(qū)為藍(lán)綠色，涌升流區(qū)域或是高緯度陸棚區(qū)域多為綠色，海岸

29、邊的混濁海水則為淡綠色，河流出口處多為黃綠色或濁黃色，冰河入海的峽灣則因巖石粉懸浮水中，同時(shí)表層鹽度較低，多呈灰白色。 n總的來(lái)說(shuō)，造成海水具有多種色彩的原因如下(1)云彩或天空的反射（如日出、日落、天際云彩變幻所產(chǎn)生海水顏色的變化）。(2)海水懸浮物質(zhì)的影響。(3)上節(jié)所述選擇性消光作用的影響。八 海洋的化學(xué)特性主要成分溶解氣體溶解氣體營(yíng)養(yǎng)元素有機(jī)物質(zhì)微量元素海水的化學(xué)組成海水是一種非常復(fù)雜的多組分溶液指海水中濃度小于10-6mg/kg的成分來(lái)源有河流的輸入、大氣沉降、海底熱泉等等海水的主要組成部分指海水中濃度大于10-6mg/kg的成分，其總和占海水鹽分的99.9%定義定義保守元素：各大洋

30、主要成分濃度之間的比值近似保持恒定Marcet原理： “全世界一切海水水樣，都含有同樣種類(lèi)的成分，這些成分之間只有鹽含量總值不同的區(qū)別”。WHY?1ppm=1mg/kg=1mg/L=110-6 百萬(wàn)分率 保守元素大洋形成及長(zhǎng)時(shí)間演化過(guò)程中，大洋形成及長(zhǎng)時(shí)間演化過(guò)程中，海水溶解或接納的各物質(zhì)總量巨大海水溶解或接納的各物質(zhì)總量巨大M；海水通過(guò)環(huán)流、潮流、垂直流等運(yùn)動(dòng)，連續(xù)不斷地進(jìn)行混合，整體上化學(xué)組分混合均勻，形成現(xiàn)在的大洋化學(xué)組分的比例而要想改變這種比例關(guān)系怎么辦？而要想改變這種比例關(guān)系怎么辦？大量增加或去除某一物質(zhì)；大量增加或去除某一物質(zhì)；同時(shí)海水體積極大，它所擁有的多種成分的總量也十分巨大，

31、外界的影響（如大陸徑流等）很難使其相對(duì)組成發(fā)生明顯的變化。即使海水的蒸發(fā)以及大氣降水，也只能使海水的濃度在局部區(qū)域增加或減少，但對(duì)于主要成分相對(duì)比例的影響是極微小的。海洋經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間與外界交換及充分的混合后，海水主要元素的濃度已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)2、 溶解于海水中的氣體成分大氣中的氣體通過(guò)海面進(jìn)入海水并被海水溶解，通過(guò)海流、波浪、潮流等動(dòng)力的混合作用而分布在整個(gè)水體中。溶解氣體溶解氣體主要溶解氣體：主要溶解氣體：溶解氧和二氧化碳大氣中的氣體有哪些？海洋中溶解的氣體有哪些？海、氣交換表：鹽度為36、溫度為20時(shí)海水中氣體組分的含量氣體氣體Symbol大氣中的氣體大氣中的氣體含量含量表層海水中的氣體含量表

32、層海水中的氣體含量整個(gè)大洋中的氣體組整個(gè)大洋中的氣體組分含量分含量NitrogenN278.084811OxygenO220.95366Carbon DioxideCO20.0331583Neon Helium等Ne0.951總計(jì)100100100海水中浮游植物的光合作用 ：浮游植物在有光的環(huán)境里，通過(guò)光合作用，吸收二氧化碳和海水營(yíng)養(yǎng)鹽，制造有機(jī)體和釋放氧；動(dòng)物的呼吸作用：在無(wú)光環(huán)境里，通過(guò)呼吸作用使一些有機(jī)體被氧化，消耗氧而釋放二氧化碳。溶解氧的飽和濃度隨海水的溫度溫度、壓力、鹽度、壓力、鹽度的變化而變化。溫度、鹽度降低溫度、鹽度降低，飽和濃度增加，飽和濃度增加；壓力降低，飽；壓力降低，飽和

33、濃度隨之降低和濃度隨之降低化學(xué)作用、生物作用及物理作用共同決定海水中溶解氧的分布；冷水富氧，南北兩極海水溶解氧含量高海水中的溶解氧影響因素重要作用空間分布溶解氧有兩個(gè)主要來(lái)源:大氣;海水中浮游植物等的光合作用表層之下，由于下沉的生物殘骸和有機(jī)體在分解過(guò)程中消耗了氧，使氧含量急劇降低，通常在 7001000米深處出現(xiàn)氧含量的極小值(此深度因區(qū)域不同而異)。風(fēng)浪的攪拌作用和垂直對(duì)流作用，使氧在表層水和大氣之間的分配，較快地趨于平衡。個(gè)別海區(qū)在50米深的水層之上，由于生物的光合作用，出現(xiàn)了氧含量的極大值氧含量隨深度而增加原因：兩極高密、富氧的海水下沉并流動(dòng)到各大洋的深處溶解氧的空間分布鉛直分布表層最

34、大中層小底層大化學(xué)過(guò)程、生物過(guò)程、物理過(guò)程n海洋深處較高含量的氧，主要靠高緯度下沉的表層水來(lái)補(bǔ)充。q在太平洋和大西洋南緯50度處，都有富氧的表層水下沉，形成南極中層水，它一直向北延伸，可到達(dá)南緯20度的 800米深處；q在北大西洋北緯60度處的表層水，下沉而成深層水，它向南運(yùn)動(dòng)，一直延伸至南大西洋。q這些從高緯度下沉而成的中層和深層海水，其氧含量在流動(dòng)過(guò)程中都逐漸降低。n如果沒(méi)有這種表層水的補(bǔ)充，僅靠氧分子從表層向深處擴(kuò)散，其速度很緩慢，難以滿足有機(jī)物分解的需要，勢(shì)必造成深層水缺氧甚至于無(wú)氧。n就 3大洋的平均氧含量來(lái)說(shuō)，大西洋最大，印度洋其次，太平洋最小。這主要是 3大洋的環(huán)流情況不同所造成

35、的。溶解氧的時(shí)間變化周日變化：周日變化：當(dāng)溫度和當(dāng)溫度和鹽度變化不大時(shí)，其鹽度變化不大時(shí)，其日變化取決于海水中日變化取決于海水中浮游植物的光合作用浮游植物的光合作用，因而在受到光照的，因而在受到光照的水層中，可以觀察到水層中，可以觀察到在午后不久溶解氧含在午后不久溶解氧含量最高、黎明前最低量最高、黎明前最低的周日變化情況。的周日變化情況。隨時(shí)間的變化隨時(shí)間的變化周年變化或季節(jié)周年變化或季節(jié)變化：變化：同一海區(qū)同一海區(qū)溶解氧含量的年變?nèi)芙庋鹾康哪曜兓?，則取決于該?；瑒t取決于該海區(qū)溫度和鹽度的變區(qū)溫度和鹽度的變化、生物活動(dòng)情況、化、生物活動(dòng)情況、氧化作用過(guò)程、海氧化作用過(guò)程、海區(qū)的環(huán)流特點(diǎn)等。

36、區(qū)的環(huán)流特點(diǎn)等。 溶解氧對(duì)海洋生物及環(huán)境的重要影響被污染的海水溶解氧含量較天然海水低，甚至完全缺氧被污染的海水溶解氧含量較天然海水低，甚至完全缺氧 水質(zhì)污染：生物耗氧量（微生物呼吸作用）和化學(xué)耗氧量水質(zhì)污染：生物耗氧量（微生物呼吸作用）和化學(xué)耗氧量在缺氧的海水中，海水的氧化還原電位降低，在缺氧的海水中，海水的氧化還原電位降低，形成了還原環(huán)境，使一些變價(jià)元素處于還原態(tài)形成了還原環(huán)境，使一些變價(jià)元素處于還原態(tài) 在富氧的海水中在富氧的海水中,形成一個(gè)氧化環(huán)境，形成一個(gè)氧化環(huán)境，使水體中一些變價(jià)元素處于氧化態(tài)使水體中一些變價(jià)元素處于氧化態(tài) 海水中溶解氧的存在，為海洋生物提供了生存的環(huán)境海水中溶解氧的存

37、在，為海洋生物提供了生存的環(huán)境 大量赤潮生物死亡后，在尸骸的分解過(guò)程中要大量消耗海水中的溶解氧，造成缺氧環(huán)境，引起蝦、貝類(lèi)的大量死亡 2）海水二氧化碳與酸堿度（海水二氧化碳與酸堿度（PH)n海水中二氧化碳形式：q包括溶解在海水中的二氧化碳溶解在海水中的二氧化碳、碳酸、碳酸氫根離子、碳酸根離子及碳酸鈣等碳酸鹽類(lèi)。n這些成分之間的化學(xué)反應(yīng)和平衡關(guān)系，左右著海水中的PH值，影響著全球的二氧化碳循環(huán)及分布。海水中二氧化碳全球二氧化碳循環(huán)中的一個(gè)重要組成部分n海水中二氧化碳的含量，受下列因素影響：q海-氣交換q大陸徑流q海洋生物的分布（呼吸作用）q固體懸浮物質(zhì)和海洋沉積物（碳酸鈣類(lèi)）等海水中的二氧化碳海

38、-氣交換n當(dāng)表層海水中二氧化碳的分壓大于大氣中二氧化碳的分壓時(shí)，海水向大氣放出二氧化碳，反之亦然。通常高緯度海域的海水吸收大氣的二氧化碳，低緯度海域相反?？偟慕Y(jié)果是海洋吸收大氣的二氧化碳。二氧化碳平衡示意海水中的二氧化碳大陸徑流的影響n大陸徑流不斷向海洋輸送含有機(jī)碳和碳酸鈣等物質(zhì)，使河口和近海海水的總二氧化碳的比值（見(jiàn)海水主要溶解成分）常常比大洋高。插入：全球二氧化碳循環(huán)人類(lèi)活動(dòng)引起CO2濃度上升n工業(yè)革命以來(lái)，由于大量使用礦物燃料，排放大量CO2，使大氣CO2濃度上升，形成所謂“溫室效應(yīng)”，影響了全球氣候變化(圖46)。因此近年來(lái)對(duì)大氣與海洋的CO2交換過(guò)程十分重視，開(kāi)展了廣泛的國(guó)際合作，進(jìn)

39、行了大量研究工作。CO2海氣交換的研究是JGOFS(全球海洋通量研究計(jì)劃)的重要組成部分。 海水中的二氧化碳海洋生物的影響n在真光層內(nèi)，海洋植物進(jìn)行光合作用時(shí)吸收二氧化碳、合成有機(jī)物；有的動(dòng)物和植物，還利用海水中的二氧化碳和鈣，生成軀體的碳酸鈣質(zhì)的組織。因此，在真光層海水中，二氧化碳的含量較低。n另一方面，由于動(dòng)物呼吸作用及含有機(jī)碳和碳酸鈣的生物殘骸下沉至中層和深層之后，一部分有機(jī)碳被氧化，分解出的二氧化碳溶入海水中。海水中的二氧化碳海水中的化學(xué)過(guò)程的影響n海水中溶解的二氧化碳與海水會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成碳酸碳酸是弱酸，并不穩(wěn)定，易分解出H離子和碳酸根離子等影響海水的酸堿度PHq海水中氫離子的濃

40、度以酸度表示，氫氧根離子的濃度則以堿度表示。最終以海水呈酸性或堿性來(lái)描述，且以PH值的大小來(lái)衡量。 PH值大于7水體呈堿性，PH值小于7水體呈酸性。q大洋會(huì)因此呈現(xiàn)酸性嗎？大洋會(huì)因此呈現(xiàn)酸性嗎？化學(xué)過(guò)程碳酸對(duì)大洋PH值的緩沖作用n溶解二氧化碳與水形成碳酸，弱碳酸易分解出H離子和碳酸氫根離子或碳酸根離子，相反，碳酸根離子也會(huì)與海水中的H離子反應(yīng)形成碳酸氫根離子或碳酸。q碳酸氫根離子或碳酸根離子會(huì)根據(jù)海水的酸性或堿性以發(fā)生相應(yīng)的作用。海水過(guò)酸，H離子的濃度大，碳酸氫根離子即會(huì)與H離子結(jié)合，形成碳酸，削弱海水的酸性；海水過(guò)堿，H離子濃度偏少，亞碳酸則可進(jìn)一步分解出氫離子和三氧化碳離子，增加海水中H離

41、子的濃度，海水的PH值降低。這即是碳酸的緩沖作用。n碳酸的緩沖效應(yīng)使海水的PH值維持在8.1左右n海水的PH值一般在7.58.2之間變化，略偏堿性，其大小主要取決于二氧化碳的平衡。n海水的PH值變化很小，有利于海洋生物的生長(zhǎng)，因此PH值的大小分布也是研究海洋生物、生產(chǎn)力的重要參數(shù)。海水中的二氧化碳碳酸鹽類(lèi)懸浮物質(zhì)及沉積物的影響n碳酸鈣形成儲(chǔ)存二氧化碳n碳酸鈣溶解釋放二氧化碳q大洋中，碳酸氫根離子進(jìn)一步分解出的H離子和碳酸根離子，而碳酸根離子與鈣離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成碳酸鈣。q碳酸鈣溶解：碳酸根離子與H離子形成碳酸。圖4-10 碳酸的緩沖作用n由于溶解的二氧化碳與海水作用形成碳酸，這是不是意味著在大洋深水處的碳酸濃度將更高，深層水體的酸性將更高？n而在深水大洋中，由于溶解死亡的海洋微生物殼所釋放的鈣離子與碳酸根離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將中和掉深水海洋中過(guò)酸性。也即是說(shuō)，在深水海洋中，這些微生物殼起著調(diào)節(jié)深水海洋中的酸堿性的作用。nNOTE：海洋中碳酸化合物的化學(xué)反應(yīng)對(duì)于大洋來(lái)說(shuō)是一個(gè)緩沖器，它調(diào)節(jié)海洋中的酸堿度，使海洋PH的均值維持在8.1（略呈堿性）左右。二氧化碳濃度的垂向分布n海水二氧化碳含量由表層到底層隨水深增加，原因：q表層：海洋表層水和大氣之間的