《海洋學(xué)》課件 第十二章 海洋中聲和光

第十二章海洋中的聲和光1海洋聲學(xué)海洋聲學(xué)是研究聲波在海洋中的傳播規(guī)律和利用聲波探測(cè)海洋的科學(xué)聲波在水中的傳播性能最好主要內(nèi)容①聲在海洋中的傳播規(guī)律和海洋條件對(duì)聲傳播的影響。②利用聲波探測(cè)海洋。③海洋聲學(xué)技術(shù)和儀器2海洋聲學(xué)1826年，在日內(nèi)瓦湖第一次測(cè)定水中聲速第一次大戰(zhàn)期間，4000多艘艦船被德國(guó)潛艇擊沉，開(kāi)始研究深水探測(cè)1914年，朗之萬(wàn)、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(cè)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(tái)回聲定位儀，簡(jiǎn)稱為聲吶(sonar:soundnavigationandranging)3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(nèi)波、海底地質(zhì)地貌、海洋環(huán)境噪聲和海中浮游生物等有密切關(guān)系

1950年之后，逐漸成為一門新興科學(xué)研究意義水下目標(biāo)探測(cè)水下通訊利用聲波（超聲波）的海洋儀器：流速剖面測(cè)量?jī)xADCP、單點(diǎn)三維流速脈動(dòng)測(cè)量?jī)xADV測(cè)定水下聲響反推海面狀況：風(fēng)、波浪及其破碎利用聲波在海底的不同反射特性，探測(cè)海底底質(zhì)：軟泥、沙質(zhì)、巖石等利用聲波研究海洋內(nèi)部溫度、內(nèi)波特性4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(biāo)探測(cè)、通訊、導(dǎo)航等方面均以聲波作為唯一有效的輻射能聲吶（sonar）是應(yīng)海戰(zhàn)需要而發(fā)展起來(lái)的水下目標(biāo)探測(cè)設(shè)備5關(guān)于聲波聲波頻率：聲源每秒振動(dòng)次數(shù)，單位赫茲(Hz)。人耳可聽(tīng)到的最高頻率為20KHz，該頻率以上的聲波稱為超聲波；可聽(tīng)到的最低頻率為20Hz，低于此的稱為次聲波。聲線：波長(zhǎng)與介質(zhì)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。基于折射定律。折射、反射定律：聲線總是向聲速小的方向彎曲。

6聲波知識(shí)聲波是彈性波，在彈性介質(zhì)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(zhì)（除真空外）中傳播。傳播速度由傳聲介質(zhì)的某些物理性質(zhì)，主要是力學(xué)性質(zhì)所決定。通常，固體介質(zhì)中聲速最大，液體介質(zhì)中的聲速較小，氣體介質(zhì)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(zhì)，可認(rèn)為相速度和群速度相同s為絕熱壓縮系數(shù)7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(guān)系：隨溫度升高而增大，溫度升高1C，聲速的變化是原來(lái)的0.35%

與鹽度關(guān)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(guān)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(duì)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，1個(gè)大氣壓相當(dāng)于10m水深8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?nèi)能。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(méi)有能量損失當(dāng)海面上存在波浪、氣泡和浮游生物時(shí)，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(gè)聲反射和散射界面，同時(shí)還會(huì)被吸收一部分，聲波經(jīng)過(guò)海底不僅有縱波也產(chǎn)生橫波9聲速與溫度、鹽度和深度的關(guān)系精確計(jì)算海洋中的聲速非常重要1011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(dǎo)型：聲線彎向海底，由于海底對(duì)聲波的吸收和散射，經(jīng)海底反射回來(lái)的聲能減弱，聲傳播距離受到限制。存在聲波的陰影區(qū)

12海水中聲波傳播夏季淺海的“午后效應(yīng)”聲吶在早晨效果好，而夏季午后效能變壞，稱之為“午后效應(yīng)”原因：太陽(yáng)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

13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(dǎo)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(yuǎn)。

14聲波在海洋中的傳播為何夏季無(wú)風(fēng)情況下，聲波傳播條件最差？為何冬季聲能傳播比夏季遠(yuǎn)得多？夏季的上混合層和冬季上混合層對(duì)聲速傳播會(huì)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(dǎo)，而冬季混合層的溫度隨深度增加而徐緩增大黃海冷水團(tuán)附近有利于聲波的水平傳播嗎？15深海水下聲道聲的超遠(yuǎn)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(gè)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(cè)定全球變暖使100m深處的溫度上升0.004C/a16表面聲道風(fēng)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(nèi)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(yuǎn)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(kāi)聲道區(qū)域！??！17聲波的吸收聲波傳播的強(qiáng)度衰減（傳播損失）原因：擴(kuò)展損失（幾何衰減）：聲波波陣面在傳播過(guò)程中不斷擴(kuò)展引起的聲強(qiáng)衰減。吸收損失：均勻介質(zhì)的粘滯性、熱傳導(dǎo)性以及馳豫過(guò)程引起的聲強(qiáng)衰減。散射：介質(zhì)的不均勻性引起聲波散射和聲強(qiáng)衰減。包括：海洋中泥沙、氣泡、浮游生物等懸浮粒子以及介質(zhì)本身不均勻性和海水界面對(duì)聲波散射。18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(xué)反應(yīng)的平衡被破壞，達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡，這種化學(xué)的馳豫過(guò)程，導(dǎo)致聲波的吸收19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(fēng)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(yùn)動(dòng)所輻射的噪聲航船噪聲和沿岸工業(yè)噪聲地震擾動(dòng)形成的低頻聲波冰層破裂產(chǎn)生的噪聲火山爆發(fā)風(fēng)暴引起的噪聲

20海洋光學(xué)海洋光學(xué)是研究海洋的光學(xué)性質(zhì)、光在海洋中的傳播規(guī)律和運(yùn)用光學(xué)技術(shù)探測(cè)海洋的科學(xué)21海洋光學(xué)發(fā)展史在19世紀(jì)初，有人用透明度盤(pán)目測(cè)自然光在海中的鉛直衰減20世紀(jì)30年代，瑞典等國(guó)的科學(xué)家設(shè)計(jì)制造了測(cè)定海水的線性衰減系數(shù)、體積散射系數(shù)和光輻射場(chǎng)分布的海洋光學(xué)儀器，進(jìn)行了一系列現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。1947～1948年，瑞典科學(xué)家在環(huán)球深海調(diào)查中（“信天翁”號(hào)），首次將海洋光學(xué)調(diào)查列入重要的海洋調(diào)查計(jì)劃，測(cè)量了輻照度、衰減和散射等；1950～1952年，丹麥人在環(huán)球深海調(diào)查中，致力研究了重要海區(qū)的初級(jí)生產(chǎn)力和光輻照之間的關(guān)系；1957～1958年，美國(guó)R.W.普賴森多費(fèi)爾提出了比較系統(tǒng)的海洋光學(xué)理論，發(fā)展了海洋輻射傳遞理論22海洋光學(xué)的研究方法實(shí)驗(yàn)研究：運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量方法進(jìn)行海洋光學(xué)性質(zhì)的研究?？梢?jiàn)光波段是能透入海中的電磁波的主要波段，其傳播規(guī)律決定于海洋水體的散射和吸收等性質(zhì)。海洋光學(xué)調(diào)查是研究區(qū)域海洋光學(xué)性質(zhì)的主要手段。理論研究：海洋輻射傳遞理論是海洋光學(xué)的主要理論基礎(chǔ)，從輻射傳遞方程出發(fā)，主要運(yùn)用隨機(jī)模擬方法和蒙特卡羅法，建立各種輻射傳遞模型。23海洋光學(xué)的研究?jī)?nèi)容海面光輻射研究：研究日光射入海洋后，經(jīng)過(guò)輻射傳遞過(guò)程所產(chǎn)生的、由海洋表層向上的光譜輻射場(chǎng)。它是光學(xué)遙感探測(cè)海洋的主要信息來(lái)源，是建立光學(xué)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(zhì)密切相關(guān)，

它決定了海水的顏色24海洋光學(xué)的研究?jī)?nèi)容水中能見(jiàn)度：研究水中的視程和圖象在水中的傳輸問(wèn)題海洋水體的光學(xué)傳播研究海洋水體對(duì)光的散射和吸收的過(guò)程。25海水的光學(xué)特性海水對(duì)光的吸收光能量在水中損失的過(guò)程就是吸收吸收具有選擇性,長(zhǎng)波優(yōu)先,“藍(lán)色窗口”.吸收與海水渾濁度有關(guān),混濁度大,“窗口”向長(zhǎng)波轉(zhuǎn)移射到海面的日光中的紅外輻射，大部分被水深1米以內(nèi)的表層所吸收，在水下測(cè)得的太陽(yáng)光譜的峰值正好處于對(duì)海水有最大透射率的藍(lán)綠光附近，甚至在水深600米處還能用光電法測(cè)到26海水的光學(xué)特性海水對(duì)光的散射光通過(guò)不均勻媒質(zhì)時(shí)，部分光將偏離原來(lái)方向而分散傳播，從側(cè)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(zhǎng)比散射粒子的尺寸大得多。

散射能力與波長(zhǎng)的四次方成反比，散射光線在光線前進(jìn)和反方向上的強(qiáng)度相同，與入射光垂直方向的強(qiáng)度最小為什么天空是藍(lán)色？為什么中午時(shí)太陽(yáng)為白色？日出或日落時(shí)卻是紅黃色？在月球上，白天的天空是什么顏色？27海水的光學(xué)特性粒子散射，即梅氏散射，由德國(guó)物理學(xué)家古斯塔夫·梅于1908年提出

當(dāng)散射粒子的尺寸與輻射波長(zhǎng)相當(dāng)或大于時(shí)，發(fā)生粒子散射，大部分光線會(huì)沿著前進(jìn)的方向散射粒子散射與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，而且光散射后的性質(zhì)不變近岸混濁水多為粒子散射海水對(duì)光的衰減：吸收和散射28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(lái)的色彩，與太陽(yáng)高度、天空狀況、海底等有關(guān)。為什么烏云密布時(shí)，海色陰沉，晴空萬(wàn)里時(shí)，海色蔚藍(lán)？29海水的顏色大洋水有利于波長(zhǎng)為0.4~0.5μm的光通過(guò)，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(lán)色。近海水中含有較多的無(wú)機(jī)的和有機(jī)的懸浮物質(zhì)，發(fā)生粒子散射，散射系數(shù)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。同時(shí)，近岸水中不同種類的溶解物質(zhì)，具有不同的光譜吸收和散射特征。因此，近海海色呈藍(lán)綠色甚至黃褐色30海水的水色透明度：將直徑30cm的白色圓盤(pán)垂直沉入海水中，直到剛看不見(jiàn)為止的深度。水色：在背光處，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(xué)性質(zhì)決定。一般用水色計(jì)1號(hào)(淺藍(lán)色)至21號(hào)(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(yuǎn)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。31海面對(duì)光的反射海面的反射與入射角有關(guān)，反射系數(shù)隨入射角增大由于海上風(fēng)的作用，海面變得高低不平，通常用均方波陡來(lái)表征利用陽(yáng)光直射時(shí)測(cè)量反射光的圖像，可以反推均方波陡，可反演海上風(fēng)和波浪32海洋光學(xué)的應(yīng)用海洋光學(xué)與物理海洋學(xué)的研究密切相關(guān)。測(cè)定海水的光學(xué)性質(zhì)，為研究海流、上升流、海洋鋒、水團(tuán)、海洋細(xì)微結(jié)構(gòu)等提供了另一種有效的手段海洋生物初級(jí)生產(chǎn)力的研究和調(diào)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(guān)系，例如輻照度為海洋初級(jí)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33海色衛(wèi)星遙感在海色遙感研究中，海水劃分為Ⅰ類水域和Ⅱ類水域：前者以浮游植物及其伴生物為主，海水呈現(xiàn)深藍(lán)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，海水往往呈現(xiàn)藍(lán)綠色甚至黃褐色。中國(guó)近海就是典型的Ⅱ類水域。利用可見(jiàn)光來(lái)反演海水中葉綠素濃度，進(jìn)而得到海洋中的初級(jí)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(cè)：赤潮河口海岸帶泥沙輸運(yùn)34光與海洋生物萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)生物對(duì)光的吸收和散射生物發(fā)