《海洋科學導論》第三章 海水的物理性質(zhì)

1、1第三章 海水的物理性質(zhì)海水是含有少量鹽溶質(zhì)的水溶液，平均而言，海水密度為1025kg/m3,含鹽量為3.5%D.Zhao,OUC2海水的組成海水中水大約占96.5%，溶解有多種無機鹽、有機物質(zhì)和氣體和懸浮物質(zhì)等，有機鹽的含量約為3.5%。迄今已測定海水中含有80余種元素D.Zhao,OUC3純水的特性盡管水分子的化學構成非常簡單，但非常獨特，具有非常特殊的物理性質(zhì) ，是地球上最普遍的液體和生命必須品。水分子結構特殊: H2O極性分子(偶極子)易發(fā)生分子締合D.Zhao,OUC4純水的特性由于水分子的偶極子結構，使其溶點和沸點大幅提高，否則只能以氣體形式存在，不能形成海洋和生命！水是地球上唯一

2、可同時存在固、液、氣三態(tài)的物質(zhì)水的溶解力很強水分子有很強的極性，容易吸引溶質(zhì)表面的分子或離子，使其脫離溶質(zhì)的表面進入水中水可輕易將鹽分解為離子狀態(tài)海水的溶解性和腐蝕性更強D.Zhao,OUC5純水的特性水在溫度4C時密度最大？溫度低于40C時，有利于分子的締合凍結為冰時，水分子全部締合成一個巨大的分子締合體，稱為分子晶體。結構排列松散，密度減小水溫從00C到40C時，主要過程是較大締合分子離解成較小的締合分子溫度進一步升高時，分子熱運動增強，導致體積膨脹，密度減小水密度隨溫度的變化D.Zhao,OUC6海水中的溶質(zhì)海水的溶解性非常強，可將大部分物質(zhì)溶解為極小顆粒從化學上可將這些溶質(zhì)分為5類：主

3、要成份，營養(yǎng)鹽、氣體、痕量元素和有機化合物。主要成份即海水中的陽離子和陰離子，占所有溶質(zhì)的99.99%，是不隨時間變化的保守量D.Zhao,OUC7盡管不同樣品的主要成分絕對量不同，但它們的比值不變。即任何兩種溶于海水中的主要成分比值不變，如CI-1/SO42-，Na+/K+ 元素constituent符號含量g/kg百分比氯離子ChlorideCl-19.35055.07鈉離子SodiumNa+10.76030.62硫酸根sulfateSO42-2.7107.72鎂離子magnesiumMg2+1.2903.68鈣離子calciumCa2+0.4101.17鉀離子potassiumK+0.3

4、901.10碳酸氫根bicarbonateHCO3-0.1400.40溴離子bromideBr-0.0670.19鍶離子strontiumSr2+0.0080.02硼離子boronB3+0.0040.01氟離子fluorideF-0.0010.01合計total99.99海水組成恒定性D.Zhao,OUC8海水中的溶質(zhì)營養(yǎng)鹽：對植物生長至關重要，主要包括氮（N）、磷（P）和硅（Si）的化合物三者在海水中的含量分別為0.5ppm、0.07ppm和3ppm。 （ppm = parts per million）由于生物吸收和釋放，海水中的營養(yǎng)鹽隨地點和時間而變，是非保守量植物不能直接吸收N和P元素，

5、而是吸收可溶解的PO43-和NO3-。雖然Si不直接參與細胞植物生長，但它對SiO2沉降至關重要，SiO2是硅藻和散線蟲類動物的骨骼成份。D.Zhao,OUC9海水中的溶質(zhì)痕量元素：海洋中極小量的無機成分。痕量元素主要包括Li、I、Mo、Zn、Fe、Al等上述痕量元素的含量分別為170、60、10、10、10、10ppb。（ppb=parts per billion）痕量元素的含量雖然少，但對某些生物化學反應至關重要。 例如大部分海域限制浮游植物生長的是鐵元素D.Zhao,OUC10海水中的溶質(zhì)氣體：主要包括N2、O2、CO2、H2、Ar、Ne、He。前三者分別占總氣體的47.5%、36.0%

6、和15.1%，其余占1.4%海洋酸化？N2和惰性氣體很少參與生物活動，而O2和CO2很大程度上受控于生物的光合和呼吸作用，所以它們不是保守量，取決于植物和動物的豐富性和活動D.Zhao,OUC11海水中的溶質(zhì)有機化合物：包括各種復雜的有機分子，如油脂、蛋白質(zhì)、醣類、荷爾蒙和維生素復合物。有機化合物的含量一般非常低，來源于生物的新陳代謝和腐爛過程維生素復合物對促進細菌、植物和動物的生長非常重要。全球海洋油污染形勢圖D.Zhao,OUC12海水的鹽度海水的鹽度是海水含鹽量的定量量度，是海水最重要的理化特性之一 最初的鹽度定義：1kg海水中所包含的溶質(zhì)的總質(zhì)量?；诨瘜W方法的鹽度定義(Kundsen

7、,1902) “1kg海水中的碳酸鹽全部轉(zhuǎn)換成氧化物，溴和碘以氯當量置換，有機物全部氧化后所剩固體物質(zhì)的總克數(shù)”。單位是g/kg，用符號表示該方法測定鹽度非常繁瑣，不適用于海洋調(diào)查D.Zhao,OUC13海水的鹽度Knudsen公式（化學方法） 基于海水組成恒定性規(guī)律，用測定海水氯含量的方法來計算鹽度 S = 0.03 + 1.805 CI CI 為氯度，即1kg海水中的溴和碘以氯當量置換，氯離子的總克數(shù)國際上統(tǒng)一使用一種其氯度值精確為19.374 的大洋水作為標準，對應的鹽度值為35.000 ，稱為標準海水1966年修改為 S = 1.80655 CI D.Zhao,OUC海水的鹽度（電導方

8、法）化學方法一直沿用到20世紀60年代鹽度的電導率定義（Cox et al., 1967） s = 為15C，一個標準大氣壓（101325 Pa）下，水樣的電導率C(S,15,0)與鹽度精確為35的標準海水電導率C(35,15,0)之比值，通過測定海水的電導率來推算鹽度值國際“海洋學常用表和標準聯(lián)合專家小組”（JPOTS）于1969年推薦使用此新定義缺點：鹽度電導率定義建立在海水組成恒定性基礎上，不準確校正鹽度計時以標準海水的氯度值為標準，氯度不變時，電導率可能會變化D.Zhao,OUC14實用鹽度標度為使鹽度的測定脫離對氯度測定的依賴，JPOTS于1978年提出實用鹽度標度，1982年1月開

9、始在國際上推行為使海水的鹽度值與氯度脫鉤，選擇一種精確濃度的氯化鉀（KCI）溶液作為可再制的電導標準，用海水相對于KCI溶液的電導比來確定海水的鹽度為保持鹽度歷史資料的一致性，仍用原來氯度為19.374 國際標準海水為實用鹽度35.000的參考點。配制精確濃度（32.4356）的氯化鉀溶液，它在1個標準大氣壓、150C下，與國際標準海水的電導率相等D.Zhao,OUC15實用鹽度計算公式溫度為150C海水鹽度公式 其中K15 為一個大氣壓下，溫度150C，海水樣品的電導率與標準KCI溶液的電導率之比實用鹽度不再使用符號D.Zhao,OUC16實用鹽度計算公式Lewis（1980）給出任意溫度的

10、鹽度公式 Kt 為任意溫度下的電導率之比上面公式又進一步推廣到任意壓力（Millero，1996）D.Zhao,OUC1718關于實用鹽度由電導率推算鹽度可準確到0.003 測鹽度的儀器事先用標準海水來標定鹽度35的標準海水取自大西洋北部，封裝在275ml的玻璃瓶中，根據(jù)實用鹽度標準標定其電導率比和鹽度。自1989年起，由設在英國的Ocean Scientific International分發(fā)到世界各地海洋的平均鹽度為34.7；紅海最高36-38；波羅地海最低7-8影響鹽度的因素： 外海大洋：蒸發(fā)和降雨 沿岸海域：徑流低、高緯度海區(qū)的鹽度，哪一個高？D.Zhao,OUC19鹽量的循環(huán)海浪破碎

11、會產(chǎn)生大量氣泡，氣泡上升到海面破碎形成小水滴，大風時風會直接將波峰撕裂而生成水滴，水滴在空中蒸發(fā)而成為鹽粒子，成為海鹽氣溶膠進入大氣中，飽和水汽以它為凝結核，形成雨滴落到陸地上，最后匯聚到河流又回到海洋海洋大氣海洋波浪降雨D.Zhao,OUC20海水鹽度的測定利用海水的電導性之城鹽度計測量鹽度實際應用中，將測量溫度、鹽度和深度的傳感器集成一體，稱為CTD溫鹽深測量儀，分為存儲式和直讀式兩種利用CTD測量得到的電導率是任意鹽度、溫度和壓力情況下獲得的，需要對壓力進行修正鹽度是物理海洋學的一個重要參數(shù)。存儲 式直讀式D.Zhao,OUC21海水的比熱容熱容：海水溫度升高1K所吸收的熱量。單位：(J

12、/K）比熱容：單位質(zhì)量海水的熱容。單位：J/(K kg)海水的比熱是溫度、鹽度和壓力的函數(shù)，一般隨鹽度增大而減小海水的比熱容比空氣的比熱容大海水比熱：3890J/kg.K，海水密度：1025kg/m3，空氣比熱：1000J/kg.K；空氣密度：1.29kg/m3。海水和大氣的比熱容相差不大，而熱容量相差巨大1m3海水降低1C放出的熱量可使3100m3的空氣升高1C海洋是大氣的天然空調(diào)器！D.Zhao,OUC22海水的膨脹海水的熱膨脹系數(shù)比純水大，且隨溫度、鹽度和壓力的增大而增大低溫低鹽時，海水的熱膨脹系數(shù)為負值，說明當溫度升高時海水收縮最大海水密度所對應的溫度為鹽度越大，密度最大值對應的溫度越

13、低鹽度越大越容易結冰嗎？D.Zhao,OUC23海水的壓縮性在通常的研究中，海水被視為不可壓縮的單位體積的海水，當壓力增大1Pa時，其體積的負增量稱為壓縮系數(shù)海水的壓縮系數(shù)隨溫度、鹽度和壓力的增大而減小，海水壓縮系數(shù)一般很小海水的壓縮性是聲波傳播的關鍵聲波探測是反潛的關鍵技術D.Zhao,OUC24海水的絕熱變化什么叫絕熱變化？海水絕熱下沉時，壓力增大使體積縮小，溫度升高，絕熱上升時，壓力減小使體積膨脹，導致溫度降低。海水絕熱溫度變化隨壓力（深度）的變化率稱為絕熱溫度梯度。海洋的絕熱溫度梯度平均為 0.11C/kmD.Zhao,OUC25海水的位溫位溫 海洋中某一深度的海水微團，絕熱上升到海面

14、時所具有的溫度稱為該深度海水的位溫，海水微團此時相應的密度稱為位密。海水的位溫顯然比其現(xiàn)場溫度低。為什么？溫度和位溫D.Zhao,OUC26世界大洋深層水的位溫和鹽度柱狀圖鹽度變化小，位溫變化較大D.Zhao,OUC27海水的蒸發(fā)潛熱比蒸發(fā)潛熱 使單位質(zhì)量海水化為同溫度的蒸汽所需的熱量，稱為海水的比蒸發(fā)潛熱 L。L受鹽度影響很小，可只考慮溫度的影響Dietrich(1980)給出如下計算公式（0300C）蒸發(fā)潛熱隨溫度增大而減小溫度越高越容易蒸發(fā)嗎？D.Zhao,OUC28海水的飽和水汽壓飽和水汽壓 對純水而言，飽和水汽壓是指水分子有水面逃出和同時回到水中的過程達到平衡時，水面上水汽所具有的壓

15、力。對海水而言，由于鹽度存在，則單位面積海面上平均水分子數(shù)目要少，限制了海水蒸發(fā)，使飽和水汽壓降低海面的蒸發(fā)量與海面上水汽壓與飽和水汽壓的差成正比，飽和水汽壓小不利于蒸發(fā)影響蒸發(fā)的因素：溫度、表面積和風速冬季和夏季，哪個季節(jié)易于水蒸發(fā)？D.Zhao,OUC29海水蒸發(fā)與天氣由于海水蒸發(fā)，海洋平均每年失去126cm厚的海水 為何不見海面降低？伴隨海水蒸發(fā)，海洋不僅失去水分，同時失去大量熱量，由水汽攜帶而輸向大氣。熱帶氣旋、臺風、颶風的生成為什么臺風多在熱帶和夏秋季生成？D.Zhao,OUC30海水的傳導性相鄰海水溫度不同時，由于海水分子或海水塊體的交換，會使熱量由高溫向低溫處轉(zhuǎn)移，稱為熱傳導由分

16、子的隨機運動引起的熱傳導，稱為分子熱傳導，海水分子熱傳導系數(shù)為10-1量級若海水的熱傳導是由海水塊體運動的隨機運動所引起，稱為渦動熱傳導或湍流熱傳導，其熱傳導系數(shù)的量級為102103渦動熱傳導與海水的運動狀況有關海水鹽量擴散與上述情形類似，但分子鹽擴散系數(shù)僅為分子熱傳導系數(shù)的0.01左右（為什么？）D.Zhao,OUC31海水的粘滯性海水的粘滯性 當相鄰兩層海水做相對運動時，由于水分子的不規(guī)則運動或海水塊體的隨機運動（湍流），在兩層海水之間便有動量傳遞，產(chǎn)生切應力 為動力學粘性系數(shù)，單位為Pas 為運動學粘性系數(shù)，單位為m2/s單純由分子運動引起的粘性系數(shù)非常小，一般可忽略，而湍流引起的渦動粘

17、性系數(shù)較大分子粘性對海-氣界面物質(zhì)交換過程（如CO2）非常重要D.Zhao,OUC32海水的力學性質(zhì)海水的滲透壓 被半滲透膜（水分子可透過，但鹽分子不能透過）分開的海水和淡水，由于淡水一側的水慢慢地滲向海水一側（？），使海水一側的壓力增大，直到達到平衡狀態(tài)，此時膜兩邊的壓力差，稱為滲透壓海水的滲透壓隨海水鹽度的增高而增大海洋生物的細胞壁就是一種半滲透膜，滲透壓對海洋生物的生存十分重要！海水的表面張力 在液體的自由表面上，由于分子之間的吸引力所形成的合力，使自由表面趨向最小，這就是表面張力。海水的表面張力隨溫度的升高而減小，隨鹽度的增大而增大表面張力對海面毛細波和海浪的生成至關重要！D.Zhao

18、,OUC33海水的密度海水密度是海水溫度、鹽度和壓力的函數(shù)一般隨溫度增大而減小，隨鹽度增大而增大密度超量海水密度可以直接測量嗎？海水狀態(tài)方程D.Zhao,OUC海水密度和狀態(tài)方程1980年，“海洋學常用表和標準聯(lián)合專家小組（Joint Panel on Oceanographic Tables and Standards, JPOTS)推薦采用1978年實用鹽標（The Practical Salinity Scale 1978, PSS-78）和1980年海水狀態(tài)方程（Equation of State of Seawater, EOS-80）EOS-80基于1968年的實用溫標海水狀態(tài)方程

19、是海水密度與海水狀態(tài)參數(shù)溫度、鹽度、壓力之間的關系式海水密度計算精確度比之前提高了幾乎一個量級1990年，國際計量委員會推行國際溫標（International Temperature Scale of 1990, ITS-90）PSS-78實用鹽標和國際海水狀態(tài)方程（EOS-80）一直使用到2009年，持續(xù)了30年（1978-2009年）D.Zhao,OUC34海水狀態(tài)方程2005年，海洋科學研究委員會（Scientific Committee on Oceanic Research, SCOR）和國際海洋物理科學協(xié)會（International Association of Physica

20、l Sciences of the Oceans, IAPSO）共同組建了關于海水狀態(tài)方程的第127工作組2009年，聯(lián)合國教科文組織政府間海洋學委員會（UNESCO/IOC）第25次大會正式通過決議，建議采用國際海水熱力學方程（Thermodynamic Equation of Seawater, TEOS-10）原因：（1）EOS-80的幾種多項式彼此不完全一致，不能嚴格滿足熱力學Maxwell交叉微分關系（2）近年來更清楚了解海水成分對海水密度的影響，需要建立一個更普適標準海水模型（3）海洋作為全球熱力引擎，需要計算海水的熵、焓和內(nèi)能，以便精確計算界面熱通量D.Zhao,OUC35海水狀

21、態(tài)方程TEOS-10一個明顯的變化是采用絕對鹽度而不是實用鹽度！絕對鹽度定義為海水中溶解物質(zhì)質(zhì)量除以溶液總質(zhì)量實用鹽度依賴于電導率，取決于海水中的離子物質(zhì)。若用硅酸鹽替換同等質(zhì)量的純水，實用鹽度不變，但絕對鹽度增大，海水密度也增大絕對鹽度要取代實用鹽度嗎？實用鹽度可以直接測量，而絕對鹽度是一個導出量計算絕對鹽度的算法尚不成熟保證數(shù)據(jù)資料的一致性D.Zhao,OUC36TEOS-10和EOS-80計算得到的大部分海域的密度差值超過0.01kg/m3,最大達0.026kg/m3孫永明等，2012，地球科學進展海水狀態(tài)方程TEOS-10是以絕對鹽度、溫度和壓強為變量的Gibbs函數(shù)（或Gibbs自由

22、能） G=H-TS (H=U+PV:焓，T:絕對溫度；S:熵）海水Gibbs函數(shù)由水和鹽兩部分組成，水部分由IAPWS-95流體方程準確得到，鹽部分通過Feistel (2003)的海水Gibbs函數(shù)得到海水密度等于Gibbs函數(shù)對壓強導數(shù)的倒數(shù)通過Gibbs函數(shù)可以計算內(nèi)能、焓、熵、位焓和海水的化學勢、冰點、結冰潛熱、蒸發(fā)潛熱、比容、化學勢、熵、內(nèi)能、焓、滲透系數(shù)、等溫壓縮率、等熵等鹽壓縮率、聲速、熱擴散系數(shù)、等壓熱容、等容熱容、絕熱溫度遞減率等TEOS-10網(wǎng)址 ：http:/www.TEOS-10.orgD.Zhao,OUC37Feistel R A new extended Gibbs

23、 thermodynamic potential of seawater Progress in Oceanography，2003，58: 43-11438海水的沸點升高和冰點下降海水最大密度溫度隨鹽度增加而降低海水沸點和冰點與鹽度有關隨著鹽度增大，沸點升高而冰點下降在海洋中更關心冰點隨溫度的變化最大密度線結冰溫度海水比淡水更容易結冰嗎？D.Zhao,OUC39海冰定義：海水凍結而成的咸水冰。廣義指海洋上所有的冰，包括咸水冰、河冰、冰山等。 海冰是淡水冰晶、“鹵水”和含有鹽分的氣泡混合體。按運動形態(tài)分為 固定冰和流冰兩大類 D.Zhao,OUC40海冰的分類固定冰：是與海岸、島嶼或海底凍結在

24、一起的冰冰架：海面以上高于2米的固定冰冰山：由大陸冰川或冰架斷裂后滑入海洋且高出海面5米以上的巨大冰體，冰山界于固定冰和流冰之間流冰：自由浮在水面上，能隨風、流漂移的冰問題：一塊流冰在北風吹送下，其漂移方向如何？D.Zhao,OUC海洋中的海冰最初形成的海冰是針狀的或薄片狀的，隨后聚集和凝結，并在風力、海流、海浪和潮汐的作用下，互相堆疊而成重疊冰和堆積冰。海水結冰時，會將部分來不及流走的鹽分以鹵汁的形式被包圍在冰晶之間的空隙里形成“鹽泡”。海水結冰時，將來不及逸出的氣體包圍在冰晶之間，形成“氣泡”。 新冰的密度大致為 914915kg.m-3，由于海冰中含有氣泡，比純水冰0時的密度917kg.

25、m-3要小冰齡越長，由于冰中鹵汁滲出，密度則越小。夏末時的海冰密度可降至860kg.m-3 左右。 D.Zhao,OUC4142海冰海冰的形成當鹽度大于24.695時，海冰冰點高于最大密度溫度，只有當對流混合層的溫度同時達到冰點時，海水才會結冰(為什么？)海水的結冰純水凍結鹽分排出冰下海水密度增大對流增強冰點降低，同時冰層阻礙其下海水熱量的散失減緩冰下海水繼續(xù)凍結的速度結冰時，一些海水被困在冰中，結冰速度越快，俘獲的海水越多D.Zhao,OUC43海冰的鹽度海冰的鹽度是指其融化后海水的鹽度，一般為37左右。 凍結前海水的鹽度越高，海冰的鹽度可能也高。在南極大陸附近海域測得的海冰鹽度高達2223

26、。結冰時氣溫越低，結冰速度越快，來不及流出而被包圍進冰晶中的鹵汁就越多，海冰的鹽度自然要大。當海冰經(jīng)過夏季時，冰面融化也會使冰中鹵汁流出，導致鹽度降低，在極地的多年老冰中，鹽度幾乎為零。 D.Zhao,OUC44海冰的物理性質(zhì)海冰的比熱容比純水冰大，且隨鹽度的增高而增大。低鹽時其比熱容小，而高鹽時其比熱容將比純水冰大數(shù)倍。 海冰的熱傳導系數(shù)比純水冰小，因為海冰中含有氣泡，而空氣的熱傳導系數(shù)很小，使得海冰的熱傳導系數(shù)略大于海水的分子熱傳導系數(shù)海冰對太陽輻射的反射率遠比海水的大，海水的反射率平均只有 0.07，而海冰可高達0.50.7。 海冰限制了海洋向大氣的熱量輸送，而且也使海洋的蒸發(fā)失熱大為減

27、少，從而形成了海洋的保護層。 D.Zhao,OUC45海冰的漂移一般情況下海冰浮于海面，形狀規(guī)則的海冰露出水面的高度為總厚度的1/71/10，尖頂冰露出的高度達總厚度的1/41/3。冰山和流冰的漂移方向主要受風和海流共同制約無風時，漂移方向與速率大致與海流相同單純由風引起的漂移速度約為風速的1/501/40，方向偏風矢量之右（北半球）或之左（南半球）（為什么？）冰山一角D.Zhao,OUC46海冰的分布 北半球冰界以34月最大，89月最小，流冰群主要繞洋盆邊緣流動，多為34米厚的多年冰。北冰洋幾乎終年被冰覆蓋，冬季約覆蓋洋面的84%。夏季覆蓋率54% 南半球冰區(qū)以9月最大，3月最小，多為23米

28、厚的“一冬冰”。南極洲是世界上最大的天然冰庫，占全球冰雪總量的90%以上南極洲附近的冰山，是南極大陸周圍的冰川斷裂入海而成的。出現(xiàn)在南半球水域里的冰山，長寬可達有幾百公里，高幾百米。 D.Zhao,OUC47海冰的分布 衛(wèi)星捕捉到的南極冰山滑落格陵蘭島是北半球冰山的主要發(fā)源地，每年約有7500座冰山由此進入海洋北極冰山向南運動的平均界限為400N。南大洋海域經(jīng)常有22萬座冰山，太平洋、印度洋和大西洋的流冰界限分別為500S 、450S、 430S。南大洋中冰山的平均壽命為13年，是北半球冰山平均壽命的4倍多D.Zhao,OUC48海冰與海況結冰過程利于鉛直對流混合表層高溶解氧海水向下輸送底層含營養(yǎng)鹽類的海水上升利于生物的大量繁殖海冰對潮汐、潮流和波浪影響極大南極大陸架上海水的大量凍結，使冰下海水增鹽、低溫且高密，沿陸架下沉可至底層，并向三大洋散布對人類活動的影響：航行、港口D.Zhao,OUC49海冰的漂移1912年4月14日，269米長的Titanic游輪在紐芬蘭島南部被冰山撞沉，2224人中1513人遇難。1985年9月，Woods Hole海洋研究所的Robert Ballard在3844米水下發(fā)現(xiàn)沉船位置。D.Zhao,OUC49502006年1月，萊州灣遭遇20多年來未遇的冰凍海冰的危害D.Zhao,OUC