海洋科学导论.doc

海洋科学导论简介：海洋科学是研究海洋的自然现象、性质及其变化规律，以及与开发利用海洋有关的知识体系。它的研究对象是占地球表面71%的海洋，包括海水、溶解和悬浮于海水中的物质、生活于海洋中的生物、海底沉积和海底岩石圈，以及海面上的大气边界层和河口海岸带。因此，海洋科学是地球科学的重要组成部分，它与物理学、化学、生物学、地质学以及大气科学、水文科学等密切相关。海洋科学的研究领域十分广泛，其主要内容包括对于海洋中的物理、化学、生物和地质过程的基础研究，和面向海洋资源开发利用以及海上军事活动等的应用研究。由于海洋本身的整体性、海洋中各种自然过程相互作用的复杂性和主要研究方法、手段的共同性而统一起来，使海洋科学成为一门综合性很强的科学。 海洋科学是19世纪40年代以来出现的一门学科。海洋科学专业实际是在物理学、化学、生物学、地理学背景下发展起来的，形成了海洋气象学、物理海洋学、海洋化学、海洋生物学和海洋地质学等专业，许多大学在多年来专业背景教育基础上积累的丰富经验为海洋科学教育打下了良好的基础。（/view/175557.htm） 物理海洋：从广义上讲，现代物理海洋学是研究海洋的热状态、动力状态，以及物理特性的控制和世界各大洋边界的科学。或者说研究海洋物理特性、海洋水体的运动形式和过程，及其诸多因素与大气和海底有关因素变化的学科。因此，建立在这个范围内的理论研究和实地观测，对于深入了解海洋水体的循环过程是十分重要的。 在长期的实践中，为了了解海水的物理特征，形成了波浪动力学，以及潮汐、海流、地震海啸等；海水热力学，以及瞬间海水运动现象，如上升流、涡流等。此外，海水光学、海洋声学、海洋气象学等方面的研究，都能为了解海水运动，提供依据。当然，从海洋物理学中衍生出来的海洋声学，为声纳技术提供了研究基础；海洋气象学，为气象预报技术提供了依据，因为海洋对于世界天气和气候，起着决定性的作用，所以，海洋气象学特别重视海水和大气层交界面，各种现象的相互作用影响和热量、水气交换的研究。 不论是传统意义上的物理海洋学，还是现代物理海洋学，都是海洋学的一个分支，都是研究海洋的基本物理特性、海水的运动，以及海水在特定时间和空间的变化规律。属于物理海洋学中最为重要的参数有以下几方面。 海流。就海流而言，不管是测量表层流，还是次表层流，都是研究人员经常关注的海洋要素。大洋水体有规则的运动为海流。 地球表面受热不均匀，赤道附近低纬度地区太阳辐射强、气温高。随着纬度增大，太阳辐射愈来愈弱，气温也逐步降低。到了南、北极便进入了冰天雪地的世界。由于空气的流动，赤道地区气温高，空气上升，向两极方向流动。于是，便在赤道和两极之间形成一个大气环流。这种空气流动就是我们最常见的风。由于受地球自转等因素的影响，原本正南、正北的风向发生了变化，使地球表面形成了风带。 风吹水动，某处海水流走了，邻近的海水马上补充过来，连续不断，就形成了海流，这种由风直接产生的海流叫做风海流。 那么，海洋里除了风海流外，还有其他原因引起的海流吗？当然有。例如，由于海水密度分布不均而产生海水流动的密度流；海水涨落潮时发生水平运动的潮流等。实际上，单一原因产生的海流是极少见的，海流往往是多种原因综合作用的结果。海流一旦产生，又会受到海水深度、地形变化等因素的影响。为了研究海流，科学家对海流进行了分类。按照成因，将海流分为风海流、潮流、密度流等，按所处位置又分成沿岸流、赤道流和极地流等，按海流的深度分，又有表层流、底层流之分；人们还根据海流的温度与流经海域的水温相比较，将其分为暖流或寒流。更奇特的是，海流中还有能上能下的上升流和下降流。因此海流一般为三种：由海水密度不同而产生的海水运动为梯度流。在海风作用下，由风的拉力作用而使海水产生运动为风海流；由于长波运动产生的海流，包括潮汐、内波、假潮、海啸等产生的海水运动为长波潮流。 潮汐。潮汐是由于日月对地球的引力引起的海水水位的周期性涨落。在很多沿岸地区内，海平面由于受月球和太阳的引力作用，每日两次涨落，所有水体经受潮汐作用的程度，取决于它们的尺度和所处的形状。世界平均潮差为0.76米。潮差较低的是苏必利湖，仅为6厘米，相反，在加拿大的芬迪湾，最大潮差达13.5 米。今天，潮汐研究的比较系统完整。重要的是，它对航海、港口建设以及军事有着特殊意义，所以格外受人关注。 波浪。在海洋中存在着各种不同形式的波动，从风产生的表面波，到由月亮和太阳的万有引力产生的潮波，此外，还有表面看不见的且下降急剧的密度梯度层造成的内波。以及我们在实验室十分难得一见的海啸、风暴潮等长波。 此外，海水温度、密度、声速和海洋深度等，也是物理海洋学中最为常见的基本要素。同样对目前正在进行的海洋工程、海洋养殖业、海洋环境保护均有特殊意义。海洋深度的测量，是特别重要的；因为一切有意义的海洋学测量值，都必须用深度、纬度和经度坐标进行定位。 近20年来，现代物理海洋学一直重视海洋自身的各种物理现象和过程，尤其是界面过程及大气关系的研究，取得许多进展。海洋是一个巨大的立体空间，海洋中发生的各种现象和过程，极其复杂，时空尺度差别非常之大。物理海洋学研究，除了一些可以在实验室进行之外，更多、更普遍的观测研究，均在海洋现场进行。而海洋水深浪大，环境条件严酷，技术要求高，要取得进展，就需要相应的海洋高技术。随着现代科学技术的发展，一个以遥感、遥测、遥控、自动化和电子计算机技术等为基础的海洋探测系统，迅速发展起来。包括从空间对海洋表面的遥感技术、水下的海底声学遥感技术、海洋浮标技术、深潜观测技术等，初步形成了海洋立体探测研究系统。人们已有可能从海洋内部、海洋界面和海洋外部，对全球海洋或特定海域，进行实时和连续地观测和研究。（/view/347019.htm） 生物海洋：生物海洋学是一门研究海洋生物种群在时间和空间分布状态，以及各生物群落之间和环境间相互作用的学科。不难看出，生物海洋学主要涉及的领域是生物分类学和生态学。但是，由于海洋生物研究人员的兴趣是多方面的，所以，在实际研究中涉及的范围远远超出上面讲的那两个方面。海洋是地球上最大的一个立体生态系统。这对于人类来说，要研究解答的问题实在太多了。例如，在海洋环境中有哪些生物存在？这些生物是如何生存和生活的？是什么因素在影响它们的分布？又是什么因素控制着个体或种群的繁衍？等等。对于这些基本问题，都需要用科学的语言来解答，当然，在解答这些人们所关心的问题之中，生物海洋学也就逐步完善和发展了。 就目前人们经常进行的海洋生物分类研究或是海洋生态学研究，其研究历史还不到200年，但是，作为海洋生物系统、海洋生物的产生却是十分久远的，面对如此巨大而又十分久远的海洋生物来说，难解的问题就不言而喻了。善于思索和探求未知，是海洋生物学家的职业要求。他们的研究工作，从在实验室控制的条件下进行试验，一直扩展到对海洋各种深度中生物的调查研究-这是生物海洋学的特点之一。 为了有助于这些研究，人们必须更好地、更系统地了解海洋中的所有生物。从分子生物学，到客观生物学；从生物间相互关系，到和它们栖息环境之间的相互作用；从生物的生活史，到个体与种群关系发展等，都是人们要研究的问题。 事实上，对于我们人类来说，对于海洋和海洋生态系统了解还很不够，更谈不上多么深刻。但是，大规模的海洋开发活动，显然对海洋生态系统是一个无情的冲击。对此，人们有理由尽一切努力，用科学的手段加强对海洋生态系统发展的预测能力，这是刻不容缓的。另外，为保证人类对海洋生物资源的可持续性，稳定海洋的生物生产力，也需要借助于生物海洋学的发展，对海洋生物资源进行科学的管理。 相关调查经过几十年来海洋科技工作者的调查研究，已在我国管辖海域记录到了20278 种海洋生物。这些海洋生物隶属于5个生物界、44个生物门。其中动物界的种类最多（12794种），原核生物界最少（229种）。我国的海洋生物种类约占全世界海洋生物总种数的10%。我国海域的海洋生物，按照分布情况大致可以分为水域海洋生物和滩涂海洋生物两大类。在水域海洋生物中，鱼类、头足类（例如我们常吃的乌贼，也叫墨鱼）和虾、蟹类是最主要的海洋生物。其中以鱼类的品种最多，数量最大，构成了水域海洋生物的主体。水域海洋生物种数的分布趋势是南多北少，即南海的种类较多，而黄海、渤海的种类较少。物种约占世界物种总数的10%，数量占50% 根据最新的调查资料，分布在我国滩涂上的海洋生物种类共有1580多种。其中以软体动物（也就是平常我们所说的贝类）最多，有513种，其次是海藻358种，甲壳类（主要是平常我们所说的虾、蟹）308种，其他类群种类很少。我国沿海滩涂生物的种数与海域生物一样，也是自北向南逐渐增多。 全世界的科学家目前正在进行一项空前的合作计划，为所有的海洋生物进行鉴定和编写名录。海洋里到底有多少种生物？一项综合全球海域数据的调查报告出炉了。目前已经登录的海洋鱼类有15304种，最终预计海洋鱼类大约有2万种。而目前已知的海洋生物有21万种，预计实际的数量则在这个数字的10倍以上，即210万种。 科学家目前正在进行的这个计划叫做海洋生物普查，预计要花上10年时间，至少需要花10亿美元的经费，共有来自53个国家的300多位科学家参与到这个史无前例的合作计划中来，让世界上每一个角落的海洋科学家可以一起合作。从2000年开始，平均每星期就有3个新的海洋物种被发现。根据这个研究计划的估计，大约还有5000种海洋鱼类以及成千上万种其他各式各样的海洋生物还没被发现。 这个普查计划希望能够评估各种海洋生物的多样性、地理分布和数量，并且解释上述情况如何随着时间而改变。这个计划有什么现实意义呢？海洋生物的普查可以找出目前已经濒危的生物以及重要的繁殖区域，可以帮助渔业管理机构发展出有效的连续经营策略。而随着成千上万的新种海洋生物被发现，科学家将开发出新的海洋药物和工业化合物。 海洋生物普查科学委员会主席、美国路特葛斯大学的弗雷德里克格拉塞尔说：“这是21世纪第一场伟大的发现之旅的开始。更重要的是，这是第一个全球性的努力，去测量海洋的各种生物，也让我们知道我们应该做些什么去防止海洋生物继续消失。”海洋至今依旧是未被探勘的领域，我们对于海洋孕育的生物所知极为有限。海洋生物普查首席科学家罗纳尔德多尔说：“海洋生物的多样性不只是海洋状况的重要指针，同时也是保护海洋环境的关键。” 那么，今后的生物海洋学的研究发展方向是什么？从理论和实践上要解决哪些问题？从各地区和不同国家的经济发展来看，主要有以下几个方面： 变化规律探讨生命和非生命的有机物质在海洋中的存在形式、数量分布和时空变化规律。研究人员发现，在海洋的所有有机物质中，生命颗粒有机物仅占2，非生命颗粒物占9，而溶解有机物占到89。这个百分比揭示了这样一个事实，即有生命的有机物的生物量，虽然只占海洋中总有机物的2，但是，正是由于这微不足道的2，才决定了另外89有机物的存在。这再次证明，生命活动是海洋中最积极、最活跃的活物质；在生命和非生命的有机物质中，不论是存在形式，还是数量分布和时空变化，活的有生命的物质，仍然是占据特殊重要位置。所以，研究人员关心的尽管是与生命活动有关的所有有机物质，但海洋生物的物质必将是未来人们研究的重点。 近20年，人们对非生命颗粒物质研究格外重视，这是因为，非生命颗粒物来自有生命的颗粒物，二者长消虽然不同步，但非生命颗粒物有其自身消长的规律，同时，非生命颗粒物是海洋中构成碳的垂直通量的主要部分。当有机碳以溶解形式存在时，可再次变成颗粒物进入食物网，即所谓微生物的二次生产。 当然，海洋中生命和非生命的有机物的分布和消长规律，除了取决于生物自身过程之外，它与海洋生理和化学过程有密切关系。例如，不同生物资源的年际变化，往往与大气环流和太阳活动周期有关。不同深度的颗粒物和溶解有机物，又有不同的转换时间和滞留时间，等等。定量研究它们在不同条件下组成分部和转换速度，对了解碳等生源元素的生物地球化学过程，以及对全球变化研究，都是至关重要的。 前沿课题生源元素的生物地球化学过程研究，是当今生物海洋学又一个前沿课题。海洋是地球上最大的碳库，据测定，海水中的碳是大气中的50倍。有人估计，地球上每年燃烧的矿物排出的CO2，大约有 为海水所吸收。碳的生物地球化学过程，是国际地圈与生物圈计划的主要研究内容，也是全球海洋通量联合研究的核心内容。这是因为，生命活动是海洋中最活跃的因素，地球化学过程几乎都与生命有关。与生命有着密切关的CO2变化，自然是研究人员特别关注的问题，特别对于大气中CO2的增加造成的温室效应，更令人关注。CO2的增减变化不确定性，最终受占地球表面70.8的海洋作用。但是，海洋如何从大气中吸收CO2？哪些海区释放？各海洋界面上的交换量与净通量是多少？有多少是在短时间周期上循环的，有多少是在长时间周期上循环的？等等课题，都是科学家们正在研究的问题。 从海洋对大气中CO2的吸收能力来讲，科学家最为关注的是海-气界面的碳的净通量。因为在这个过程中，做出决定性贡献的应当是生物学过程，特别是实现碳的垂直转移。例如，生活在海水真光层中的浮游植物，进行光合作用，吸收CO2，将其转化为颗粒态，或浮游植物细胞。然后通过食物链，逐级转化为更大的颗粒。生活在不同水层的浮游动物的垂直洄游，自然也构成有机物由表层向深层逐级传递的方式。这种由有机物生产消耗传递沉降分解等活动，构成了碳的垂直转移。科学家把这种能量转换过程现象称之谓“生物泵”。这是海洋垂直方向多级碳泵中，最为重要的一级。显然，海洋初级生产中利用的CO2，有相当一部分是在真光层中实现再循环，而来自大气的仅有一部分。研究全球尺度上的新生产力、新生产与总初级生产之比，以及它们的时空变化规律，是国际海洋研究机构重点研究的任务。因为，这对了解海区的潜在渔业生产力是有意义的。 新一领域生态系统的动力学和生态多样性研究，是生态学关心的又一领域。随着人们对未来生存环境的关心，生态学研究趋向全球化。在生物海洋学的研究中，不少学者提出，要从更为宏观的角度来审视生物世界，对全球海洋现状做出评价，对未来做出预测。在全球变化研究中，一些国家研究组织提出的研究项目，多是一个具体测面，缺少对整体海洋生态系统的系统研究，特别是海洋生态系统是如何影响全球环境变化？另一个摆在人们面前的问题是，全球海洋渔业资源将会发生什么样的变化？目前各大洋生态系统的动力现状如何？为此，在20世纪90年代里，国际组织进行了大规模调查研究，提出相应的“生态系统监测”，试图通过敏感生物种群监测，达到对局部生态的了解。 另外，就是对生态多样性的研究，也成为海洋国家和国际组织的研究重点。目的是回答环境变异与生态多样性之间的关系。在实际研究中，多样性(基因、种群、群落)的变化，将会直接影响到生态系统的生产力，同样，也会影响到营养循环和抗干扰能力等。海洋生态系：海洋生态系是海洋中由生物群落及其环境相互作用所构成的自然系统，生态系(Ecosystem)一词,系英国A.G.坦斯利于1935年提出。在此之前，德国K.A.默比乌斯(1877)和美国S.A.福布斯(1887)曾分别用生物群落 (Biocoenosis)和小宇宙 (Microcosm)这两个词，记述了类似坦斯利所说的内容。广义而言，全球海洋是一个大生态系，其中包含许多不同等级的次级生态系。每个次级生态系占据一定的空间，由相互作用的生物和非生物，通过能量流和物质流形成具有一定结构和功能的统一体。海洋生态系分类，目前无定论，按海区划分，一般分为沿岸生态系、大洋生态系、上升流生态系等；按生物群落划分，一般分为红树林生态系、珊瑚礁生态系、藻类生态系等。海洋生态系研究开始于20世纪70年代，一般涉及自然生态系和围隔实验生态系等领域。近几十年，以围隔（或受控）实验生态系研究为主，主要开展营养层次、海水中化学物质转移、污染物对海洋生物的影响、经济鱼类幼鱼的食物和生长等研究。 海洋生态系的研究起步较晚，20世纪70年代才开始进行，但已在一些方面取得进展。海洋生态系的实验研究。由1973年美国和加拿大学者所进行的“控制生态系污染实验”(简称法国为CEPEX)开始。以后，CEPEX的工作超出了污染的范围，扩展到多级营养层次、海水中化学物质的转移、经济鱼类幼鱼的食物和生长等研究。因此，CEPEX的全名也改为“控制生态系种群实验”。CEPEX是专为研究水层中的生态系的，美国和其他一些国家还对包括海底沉积在内的生态系进行了实验研究。海洋生态系调查和数学模拟。研究得较多的是上升流生态系。 海浪：海浪是发生在海洋中的一种波动现象。我们这里指的海浪是由风产生的波动，其周期为05至25秒，波长为几十厘米到几百米，一般波高为几厘米到20米，在罕见的情况下波高可达30米以上。风浪，指的是在风的直接作用下产生的水面波动。 海浪涌浪，指的是风停后或风速风向突变区域内存在下来的波浪和传出风区的波浪。 近岸浪，指的是由外海的风浪或涌浪传到海岸附近，受地形作用而改变波动性质的海浪。 海浪是十分复杂的现象，研究海浪对海洋工程建设、海洋开发、交通航运、海洋捕捞与养殖等活动具有重大意义。形成海浪是海水的波动现象。 “无风不起浪”和“无风三尺浪”的说法都没有错，事实海上有风没风都会出现波浪。通常所磨拳擦掌海浪，是指海洋中由风产生的波浪。包括风浪、涌浪和近岸波。无风的海面也会出现涌浪和近岸波，这大概就是人们所说“无风三尺浪”的证据，但实际上它们是由别处的风引起的海浪传播来的。广义上的海浪，还包括天体引力、海底地震、火山爆发、塌陷滑坡、大气压力变化和海水密度分布不均等外力和内力作用下，形成的海啸、风暴潮和海洋内波等。它们都会引起海水的巨大波动，这是真正意义上的海上无风也起浪。 海浪是海面起伏形状的传播，是水质点离开平衡位置，作周期性振动，并向一定方向传播而形成的一种波动，水质点的振动能形成动能，海浪起伏能产生势能，这两种能的累计数量是惊人的。在全球海洋中，仅风浪和涌浪的总能量相当于到达地球外侧太阳能量的一半。海浪的能量沿着海浪传播的方向滚滚向前。因而，海浪实际上又是能量的波形传播。海浪波动周期从零点几秒到数小时以上，波高从几毫米到几十米，波长从几毫米到数千千米。 风浪、涌浪和近岸波的波高几厘米到20余米，最大可达30米以上。风浪是海水受到风力的作用而产生的波动，可同时出现许多高低长短不同的波，波面较陡，波长较短，波峰附近常有浪花或片片泡沫，传播方向与风向一致。一般而言，状态相同的风作用于海面时间越长，海域范围越大，风浪就越强；当风浪达到充分成长状态时，便不再继续增大。风浪离开风吹的区域后所形成的波浪称为涌浪。根据波高大小，通常将风浪分为10个等级，将涌浪分为5个等级。0级无浪无涌，海面水平如镜；5级大浪、6级巨浪，对应4级大涌，波高26米；7级狂浪、8级狂涛、9级怒涛，对应5级巨涌，波高6.1米到10多米。 海