《海洋科學導論》第十二章 海洋中聲和光

1、第十二章 海洋中的聲和光D.Zhao,OUC1海洋聲學海洋聲學是研究聲波在海洋中的傳播規(guī)律和利用聲波探測海洋的科學聲波在水中的傳播性能最好主要內容聲在海洋中的傳播規(guī)律和海洋條件對聲傳播的影響。利用聲波探測海洋。海洋聲學技術和儀器D.Zhao,OUC2海洋聲學1826年，在日內瓦湖第一次測定水中聲速第一次大戰(zhàn)期間，4000多艘艦船被德國潛艇擊沉，開始研究深水探測1914年，朗之萬、康斯坦丁制成了靜電式發(fā)射器和碳粒微音接收器1918年采用這一裝置測到海底和200m深甲板上的回波。用石英晶體做成壓電式發(fā)射器和接收器，并采用真空管放大器，制成第一臺回聲定位儀，簡稱為聲吶(sonar: sound na

2、vigation and ranging)D.Zhao,OUC3研究發(fā)現(xiàn)聲吶的作用距離與海洋水文要素、波浪、海流、內波、海底地質地貌、海洋環(huán)境噪聲和海中浮游生物等有密切關系 1950年之后，逐漸成為一門新興科學研究意義水下目標探測水下通訊利用聲波（超聲波）的海洋儀器：流速剖面測量儀ADCP、單點三維流速脈動測量儀ADV測定水下聲響反推海面狀況：風、波浪及其破碎利用聲波在海底的不同反射特性，探測海底底質：軟泥、沙質、巖石等利用聲波研究海洋內部溫度、內波特性D.Zhao,OUC4聲波在海水中的傳播性能最好在含有鹽、氣泡和浮游生物的海水中，光波和電磁波的衰減都非常大迄今為止，在水下目標探測、通訊、導

3、航等方面均以聲波作為唯一有效的輻射能聲吶（sonar）是應海戰(zhàn)需要而發(fā)展起來的水下目標探測設備D.Zhao,OUC5關于聲波聲波頻率：聲源每秒振動次數(shù)，單位赫茲(Hz)。人耳可聽到的最高頻率為20KHz，該頻率以上的聲波稱為超聲波；可聽到的最低頻率為20Hz，低于此的稱為次聲波。聲線：波長與介質的不均勻尺度相比可忽略，以射線方法定性描述聲波傳播軌跡?；谡凵涠?。折射、反射定律：聲線總是向聲速小的方向彎曲。 D.Zhao,OUC6聲波知識聲波是彈性波，在彈性介質中傳播，是縱波。水中聲速為1500m/s，空氣中為330m/s。聲波能夠在所有物質（除真空外）中傳播。傳播速度由傳聲介質的某些物理性質

4、，主要是力學性質所決定。 通常，固體介質中聲速最大，液體介質中的聲速較小，氣體介質中的聲速最小。單一頻率聲波的速度為相速度；有一定頻率寬度聲波的速度為群速度海水為非頻散介質，可認為相速度和群速度相同s為絕熱壓縮系數(shù)D.Zhao,OUC7聲波在水中傳播的速度聲速隨溫度、鹽度和壓力的增大而增大與溫度關系：隨溫度升高而增大，溫度升高1C，聲速的變化是原來的0.35% 與鹽度關系：隨鹽度增加而增大，鹽度增加1，聲速值增加1.14m/s。 與壓力關系：靜壓力增加，聲速值增加。海水深度變化100m，聲速增量為1.75m/s。溫度對海水中聲速的影響最顯著，其次是壓力，通常鹽度的變化多忽略。P的單位為大氣壓，

5、1個大氣壓相當于10m水深D.Zhao,OUC8海洋中的聲波聲波的傳播隨海區(qū)、季節(jié)、白晝和深度而變化赤道海區(qū)聲波速度大？還是兩極海區(qū)？海水的聲吸收：將聲能變?yōu)椴豢赡娴暮Ｋ肿觾饶?。若海面平靜如鏡，則海面是理想的聲反射面，反射后僅有相位的變化而沒有能量損失當海面上存在波浪、氣泡和浮游生物時，海面既是聲的反射界面又是聲的散射體海底是海洋的一個聲反射和散射界面，同時還會被吸收一部分，聲波經(jīng)過海底不僅有縱波也產(chǎn)生橫波D.Zhao,OUC9聲速與溫度、鹽度和深度的關系精確計算海洋中的聲速非常重要D.Zhao,OUC10D.Zhao,OUC11海水中聲速的鉛直分布主溫躍層上方：聲速隨深度增加而減小反波導型

6、：聲線彎向海底，由于海底對聲波的吸收和散射，經(jīng)海底反射回來的聲能減弱，聲傳播距離受到限制。存在聲波的陰影區(qū) D.Zhao,OUC12海水中聲波傳播夏季淺海的“午后效應” 聲吶在早晨效果好，而夏季午后效能變壞，稱之為“午后效應”原因：太陽照射，表層溫度升高，形成溫度梯度，造成聲波的反射，部分聲波能量彎曲入射到海底 D.Zhao,OUC13海水中聲速的鉛直分布主溫躍層下方：聲速隨深度增加而增大波導型：聲線向上彎曲，在海面或某層反射向前傳播，不存在海底的吸收和散射，聲能傳播距離遠。 D.Zhao,OUC14聲波在海洋中的傳播為何夏季無風情況下，聲波傳播條件最差？為何冬季聲能傳播比夏季遠得多？夏季的上

7、混合層和冬季上混合層對聲速傳播會產(chǎn)生不同的影響，前者不利于聲波的傳播，而后者有利于聲波的傳播（？）原因：夏季混合層的溫度隨深度增加徐緩下降，形成反波導，而冬季混合層的溫度隨深度增加而徐緩增大黃海冷水團附近有利于聲波的水平傳播嗎？D.Zhao,OUC15深海水下聲道聲的超遠距離傳播稱為聲道現(xiàn)象在主溫躍層附近，聲速存在極小值若將聲源置于該處，從聲源向各個方向輻射的聲線束向聲速極小值所在的水層彎曲，聲速極小值上下的水層有類似透鏡聚焦作用，將聲能的大部分限制在此水層間稱聲速極小值所在的深度為聲道軸在大西洋的中緯度地區(qū)，聲道軸約在1260m附近；在太平洋中緯度地區(qū)，聲道軸約在900m在極地海域，聲道軸上

8、升到冰層以下的水面附近Munk等利用聲速在聲道軸的變化，測定全球變暖使100m深處的溫度上升0.004C/aD.Zhao,OUC16表面聲道風浪的攪拌，使表層海水形成等溫層，其中的靜壓力，使聲速隨深度的增加而略有增加。等溫層內自聲源出發(fā)的聲線總是彎曲向上，經(jīng)海面反射而向前傳播，也可以傳播到較遠的地方，稱為表面聲道。在大陸架海區(qū)，聲道軸約在水下60-100m附近，稱之為表面聲道表面聲道不穩(wěn)定，由于海面波浪和氣泡引起散射，傳播距離不及水下聲道潛艇的航行要避開聲道區(qū)域！D.Zhao,OUC17聲波的吸收聲波傳播的強度衰減（傳播損失）原因：擴展損失（幾何衰減）：聲波波陣面在傳播過程中不斷擴展引起的聲強

9、衰減。吸收損失：均勻介質的粘滯性、熱傳導性以及馳豫過程引起的聲強衰減。散射：介質的不均勻性引起聲波散射和聲強衰減。包括：海洋中泥沙、氣泡、浮游生物等懸浮粒子以及介質本身不均勻性和海水界面對聲波散射。D.Zhao,OUC18與淡水相比，海水的超吸收現(xiàn)象海水超吸收原因：在聲波作用下，海水中的MgSO4化學反應的平衡被破壞，達到新的動態(tài)平衡，這種化學的馳豫過程，導致聲波的吸收D.Zhao,OUC19海洋中的聲音海洋環(huán)境聲源包括：海浪飛濺形成的噪音風與海浪表面相互作用產(chǎn)生的噪聲擊岸浪發(fā)出的聲音雨滴噪聲海洋湍流生物噪聲海水分子熱運動所輻射的噪聲航船噪聲和沿岸工業(yè)噪聲地震擾動形成的低頻聲波冰層破裂產(chǎn)生的噪

10、聲火山爆發(fā)風暴引起的噪聲 D.Zhao,OUC20海洋光學海洋光學是研究海洋的光學性質、光在海洋中的傳播規(guī)律和運用光學技術探測海洋的科學D.Zhao,OUC21海洋光學發(fā)展史在19世紀初，有人用透明度盤目測自然光在海中的鉛直衰減20世紀30年代，瑞典等國的科學家設計制造了測定海水的線性衰減系數(shù)、體積散射系數(shù)和光輻射場分布的海洋光學儀器，進行了一系列現(xiàn)場測量。19471948年，瑞典科學家在環(huán)球深海調查中（“信天翁”號），首次將海洋光學調查列入重要的海洋調查計劃，測量了輻照度、衰減和散射等；19501952年，丹麥人在環(huán)球深海調查中，致力研究了重要海區(qū)的初級生產(chǎn)力和光輻照之間的關系；195719

11、58年，美國R.W.普賴森多費爾提出了比較系統(tǒng)的海洋光學理論，發(fā)展了海洋輻射傳遞理論D.Zhao,OUC22海洋光學的研究方法實驗研究：運用現(xiàn)場試驗和實驗室的測量方法進行海洋光學性質的研究?？梢姽獠ǘ问悄芡溉牒Ｖ械碾姶挪ǖ闹饕ǘ?，其傳播規(guī)律決定于海洋水體的散射和吸收等性質。海洋光學調查是研究區(qū)域海洋光學性質的主要手段。理論研究：海洋輻射傳遞理論是海洋光學的主要理論基礎，從輻射傳遞方程出發(fā)，主要運用隨機模擬方法和蒙特卡羅法，建立各種輻射傳遞模型。D.Zhao,OUC23海洋光學的研究內容海面光輻射研究：研究日光射入海洋后，經(jīng)過輻射傳遞過程所產(chǎn)生的、由海洋表層向上的光譜輻射場。它是光學遙感探測海

12、洋的主要信息來源，是建立光學海洋遙感模型的重要依據(jù)海面向上的光譜輻射和 海水的水質密切相關， 它決定了海水的顏色D.Zhao,OUC24海洋光學的研究內容水中能見度： 研究水中的視程和圖象在水中的傳輸問題海洋水體的光學傳播 研究海洋水體對光的散射和吸收的過程。D.Zhao,OUC25海水的光學特性海水對光的吸收 光能量在水中損失的過程就是吸收吸收具有選擇性, 長波優(yōu)先, “藍色窗口”.吸收與海水渾濁度有關, 混濁度大, “窗口”向長波轉移射到海面的日光中的紅外輻射，大部分被水深1米以內的表層所吸收，在水下測得的太陽光譜的峰值正好處于對海水有最大透射率的藍綠光附近，甚至在水深 600米處還能用光

13、電法測到D.Zhao,OUC26海水的光學特性海水對光的散射 光通過不均勻媒質時，部分光將偏離原來方向而分散傳播，從側向也可以看到光的現(xiàn)象，叫做光的散射分子散射，即瑞利散射：大洋水通常為分子散射 輻射波長比散射粒子的尺寸大得多。 散射能力與波長的四次方成反比，散射光線在光線前進和反方向上的強度相同，與入射光垂直方向的強度最小為什么天空是藍色？為什么中午時太陽為白色？日出或日落時卻是紅黃色？在月球上，白天的天空是什么顏色？D.Zhao,OUC27海水的光學特性粒子散射，即梅氏散射，由德國物理學家古斯塔夫梅于1908年提出 當散射粒子的尺寸與輻射波長相當或大于時，發(fā)生粒子散射，大部分光線會沿著前進

14、的方向散射粒子散射與波長無關，而且光散射后的性質不變近岸混濁水多為粒子散射海水對光的衰減：吸收和散射D.Zhao,OUC28為什么是白云？透明度和水色海色：直接觀察看到的海水顏色。包含反射、散射等從海面映射出來的色彩，與太陽高度、天空狀況、海底等有關。為什么烏云密布時，海色陰沉，晴空萬里時，海色蔚藍？D.Zhao,OUC29海水的顏色大洋水有利于波長為0.40.5m的光通過，懸浮顆粒少，粒徑小，分子散射起著主要的作用，所以海水呈深藍色。近海水中含有較多的無機的和有機的懸浮物質，發(fā)生粒子散射，散射系數(shù)與波長無關。同時，近岸水中不同種類的溶解物質，具有不同的光譜吸收和散射特征。因此，近海海色呈藍綠

15、色甚至黃褐色D.Zhao,OUC30海水的水色透明度：將直徑30cm的白色圓盤垂直沉入海水中，直到剛看不見為止的深度。水色：在背光處，將透明度盤提升至透明度一半深度處，俯視透明度盤之上的水柱顏色。即最大限度地減少反射光的成分而從海面正上方所看到的海水顏色，由海水的光學性質決定。一般用水色計1號(淺藍色)至21號(棕色)表示。水色與海色的分布一般一致淺海透明度小，水色低；遠洋透明度大，水色高。低緯透明度大，水色高；高緯透明度小，水色低。水色分布通常與海流方向一致。D.Zhao,OUC31海面對光的反射海面的反射與入射角有關，反射系數(shù)隨入射角增大由于海上風的作用，海面變得高低不平，通常用均方波陡來

16、表征利用陽光直射時測量反射光的圖像，可以反推均方波陡，可反演海上風和波浪D.Zhao,OUC32海洋光學的應用海洋光學與物理海洋學的研究密切相關。測定海水的光學性質，為研究海流、上升流、海洋鋒、水團、海洋細微結構等提供了另一種有效的手段海洋生物初級生產(chǎn)力的研究和調查，與海中輻照度的分布、海水輻射能密度分布、海中輻射能的貯存等有直接的關系，例如輻照度為海洋初級生產(chǎn)力方程的主要參數(shù)輻照度：輻射通量與面積之比。分為向下和向上輻照度D.Zhao,OUC33海色衛(wèi)星遙感在海色遙感研究中，海水劃分為類水域和類水域：前者以浮游植物及其伴生物為主，海水呈現(xiàn)深藍色，大洋屬于這一類。后者含有較高的懸浮物、葉綠素和DOM以及各種營養(yǎng)物質，海水往往呈現(xiàn)藍綠色甚至黃褐色。中國近海就是典型的類水域。利用可見光來反演海水中葉綠素濃度，進而得到海洋中的初級生產(chǎn)力海洋碳通量和固碳能力海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測：赤潮河口海岸帶泥沙輸運D.Zhao,OUC34光與海洋生物萬物生長靠太陽生物對光的吸收和散射生物發(fā)光：