第三章 海水的物理性质

1 第三讲第三讲 海水的物理性质海水的物理性质 海水是含有少量盐溶质的水溶液 平均而海水是含有少量盐溶质的水溶液 平均而 言 海水密度为言 海水密度为1025kg m1025kg m3 3 含盐量为含盐量为3 5 3 5 2 海水的组成海水的组成 海水中水大约占海水中水大约占96 5 96 5 溶解有多种无机盐 溶解有多种无机盐 有机物质和气体和悬浮物质等 有机盐的有机物质和气体和悬浮物质等 有机盐的 含量约为含量约为3 5 3 5 迄今已测定海水中含有迄今已测定海水中含有8080余种元素余种元素 3 纯水的特性纯水的特性 尽管水分子的化学构成非常简单 但非常独特 具有尽管水分子的化学构成非常简单 但非常独特 具有 非常特殊的物理性质非常特殊的物理性质 是地球上最普遍的液体和生命 是地球上最普遍的液体和生命 必须品 必须品 水分子结构特殊水分子结构特殊 H2O 极性分子极性分子 偶极子偶极子 易发生分子缔合易发生分子缔合 4 纯水的特性纯水的特性 由于水分子的偶极子结构 使其由于水分子的偶极子结构 使其 溶点和沸点大幅提高 否则只能溶点和沸点大幅提高 否则只能 以气体形式存在 不能形成海洋以气体形式存在 不能形成海洋 和生命 和生命 水是地球上唯一可同时存在固 水是地球上唯一可同时存在固 液 气三态的物质液 气三态的物质 水的溶解力很强水的溶解力很强 水分子有很强的极性 容易吸引水分子有很强的极性 容易吸引 溶质表面的分子或离子 使其脱溶质表面的分子或离子 使其脱 离溶质的表面进入水中离溶质的表面进入水中 水可轻易将盐分解为离子状态水可轻易将盐分解为离子状态 海水的溶解性和腐蚀性更强海水的溶解性和腐蚀性更强 5 纯水的特性纯水的特性 水在温度水在温度4 4 C C时密度最大 时密度最大 温度低于温度低于4 40 0C C时 有利于分子时 有利于分子 的缔合的缔合 冻结为冰时 水分子全部缔冻结为冰时 水分子全部缔 合成一个巨大的分子缔合体 合成一个巨大的分子缔合体 称为分子晶体 结构排列松称为分子晶体 结构排列松 散 密度减小散 密度减小 水温从水温从0 00 0C C到到4 40 0C C时 主要过程时 主要过程 是较大缔合分子离解成较小是较大缔合分子离解成较小 的缔合分子的缔合分子 温度进一步升高时 分子热温度进一步升高时 分子热 运动增强 导致体积膨胀 运动增强 导致体积膨胀 密度减小密度减小 水密度随温度的变化水密度随温度的变化 6 海水中的溶质海水中的溶质 海水的溶解性非常强 可将大部分物质溶解为极海水的溶解性非常强 可将大部分物质溶解为极 小颗粒小颗粒 从化学上可将这些溶质分为从化学上可将这些溶质分为5 5类 主要成份 营养类 主要成份 营养 盐 气体 痕量元素和有机化合物 盐 气体 痕量元素和有机化合物 主要成份主要成份即海水中的阳离子和阴离子 占所有溶即海水中的阳离子和阴离子 占所有溶 质的质的99 99 99 99 是不随时间变化的保守量 是不随时间变化的保守量 7 尽管不同样品的主要成分绝对量不同 但它们的比值不变 即任何两种溶于尽管不同样品的主要成分绝对量不同 但它们的比值不变 即任何两种溶于 海水中的主要成分比值不变 如海水中的主要成分比值不变 如CI 1 SO42 Na K 元素 constituent 符号 含量g kg 百分比 氯离子 Chloride Cl 19 350 55 07 钠离子 Sodium Na 10 760 30 62 硫酸根 sulfate SO42 2 710 7 72 镁离子 magnesium Mg2 1 290 3 68 钙离子 calcium Ca2 0 410 1 17 钾离子 potassium K 0 390 1 10 碳酸氢根 bicarbonate HCO3 0 140 0 40 溴离子 bromide Br 0 067 0 19 锶离子 strontium Sr2 0 008 0 02 硼离子 boron B3 0 004 0 01 氟离子 fluoride F 0 001 0 01 合计 total 99 99 海水组成恒定性海水组成恒定性 8 海水中的溶质海水中的溶质 营养盐 对植物生长至关重要 主要包括氮 营养盐 对植物生长至关重要 主要包括氮 N N 磷 磷 P P 和硅 和硅 SiSi 的化合物的化合物 三者在海水中的含量分别为三者在海水中的含量分别为0 5ppm0 5ppm 0 07ppm0 07ppm和和3ppm3ppm ppm parts per millionppm parts per million 由于生物吸收和释放 海水中的营养盐随地点和时间而变 是非保守由于生物吸收和释放 海水中的营养盐随地点和时间而变 是非保守 量量 植物不能直接吸收植物不能直接吸收N N和和P P元素 而是吸收可溶解的元素 而是吸收可溶解的POPO4 43 3 和和NONO3 3 虽然虽然SiSi不直接参与细胞植物生长 但它对不直接参与细胞植物生长 但它对SiOSiO2 2沉降至关重要 沉降至关重要 SiOSiO2 2是是 硅藻和散线虫类动物的骨骼成份 硅藻和散线虫类动物的骨骼成份 9 海水中的溶质海水中的溶质 痕量元素 海洋中极小量的无机成分 痕量元素 海洋中极小量的无机成分 痕量元素主要包括痕量元素主要包括LiLi I I MoMo ZnZn FeFe AlAl等等 上述痕量元素的含量分别为上述痕量元素的含量分别为170170 6060 1010 1010 1010 10ppb10ppb ppb parts per billionppb parts per billion 痕量元素的含量虽然少 但对某些生物化学反应痕量元素的含量虽然少 但对某些生物化学反应 至关重要 至关重要 例如大部分海域限制浮游植物生长的是铁元素例如大部分海域限制浮游植物生长的是铁元素 10 海水中的溶质海水中的溶质 气体 主要包括气体 主要包括N N2 2 O O2 2 COCO2 2 H H2 2 ArAr NeNe HeHe 前三者分别占总气体的前三者分别占总气体的47 5 47 5 36 0 36 0 和和15 1 15 1 其 其 余占余占1 4 1 4 海洋酸化 海洋酸化 N N2 2和惰性气体很少参与生物活动 而和惰性气体很少参与生物活动 而O O2 2和和COCO2 2很大很大 程度上受控于生物的光合和呼吸作用 所以它们程度上受控于生物的光合和呼吸作用 所以它们 不是保守量 取决于植物和动物的丰富性和活动不是保守量 取决于植物和动物的丰富性和活动 11 海水中的溶质海水中的溶质 有机化合物 包括各种复杂的有机分子 如油脂 蛋白质 醣类 荷尔有机化合物 包括各种复杂的有机分子 如油脂 蛋白质 醣类 荷尔 蒙和维生素复合物 蒙和维生素复合物 有机化合物的含量一般非常低 来源于生物的新陈代谢和腐烂过程有机化合物的含量一般非常低 来源于生物的新陈代谢和腐烂过程 维生素复合物对促进细菌 植物和动物的生长非常重要 维生素复合物对促进细菌 植物和动物的生长非常重要 全 球 海 洋 油 污 染 形 势 图 全 球 海 洋 油 污 染 形 势 图 12 海水的盐度海水的盐度 海水的盐度是海水含盐量的定量量度 是海水最海水的盐度是海水含盐量的定量量度 是海水最 重要的理化特性之一重要的理化特性之一 最初的盐度定义 最初的盐度定义 1kg海水中所包含的溶质的总海水中所包含的溶质的总 质量 质量 基于化学方法的盐度定义基于化学方法的盐度定义 Kundsen 1902 1kg海水中的碳酸盐全部转换成氧化物 溴和碘以氯当海水中的碳酸盐全部转换成氧化物 溴和碘以氯当 量置换 有机物全部氧化后所剩固体物质的总克数 单量置换 有机物全部氧化后所剩固体物质的总克数 单 位是位是g kg 用符号 用符号 表示表示 该方法测定盐度非常繁琐 不适用于海洋调查该方法测定盐度非常繁琐 不适用于海洋调查 13 海水的盐度海水的盐度 Knudsen公式 化学方法 公式 化学方法 基于海水组成恒定性规律 用测定海水氯基于海水组成恒定性规律 用测定海水氯 含量的方法来计算盐度含量的方法来计算盐度 S 0 03 1 805 CI CI 为氯度 即为氯度 即1kg海水中的溴和碘以氯当量置换 氯离子的总克数海水中的溴和碘以氯当量置换 氯离子的总克数 国际上统一使用一种其氯度值精确为国际上统一使用一种其氯度值精确为19 374 的的 大洋水作为标准 对应的盐度值为大洋水作为标准 对应的盐度值为35 000 称为称为 标准海水标准海水 1966年修改为年修改为 S 1 80655 CI 海水的盐度 电导方法 海水的盐度 电导方法 化学方法一直沿用到化学方法一直沿用到20世纪世纪60年代年代 盐度的电导率定义 盐度的电导率定义 Cox et al 1967 s 为为15 C 一个标准大气压 一个标准大气压 101325 Pa 下 水样的电 下 水样的电 导率导率C S 15 0 与盐度精确为与盐度精确为35 的标准海水电导率的标准海水电导率C 35 15 0 之比值 通过测定海水的电导率来推算盐度值之比值 通过测定海水的电导率来推算盐度值 国际 海洋学常用表和标准联合专家小组 国际 海洋学常用表和标准联合专家小组 JPOTS 于 于 1969年推荐使用此新定义年推荐使用此新定义 缺点 缺点 盐度电导率定义建立在海水组成恒定性基础上 不准确盐度电导率定义建立在海水组成恒定性基础上 不准确 校正盐度计时以标准海水的氯度值为标准 氯度不变时 电导率可能校正盐度计时以标准海水的氯度值为标准 氯度不变时 电导率可能 会变化会变化 5 15 4 15 3 15 2 1515 32311 198624 567869 10 80832 1229720 2808996 0 RRR RR 15 R 实用盐度标度实用盐度标度 为使盐度的测定脱离对氯度测定的依赖 为使盐度的测定脱离对氯度测定的依赖 JPOTS于于1978 年提出实用盐度标度 年提出实用盐度标度 1982年年1月开始在国际上推行月开始在国际上推行 为使海水的盐度值与氯度脱钩 选择一种精确浓度的氯化为使海水的盐度值与氯度脱钩 选择一种精确浓度的氯化 钾 钾 KCI 溶液作为可再制的电导标准 用海水相对于 溶液作为可再制的电导标准 用海水相对于 KCI溶液的电导比来确定海水的盐度溶液的电导比来确定海水的盐度 为保持盐度历史资料的一致性 仍用原来氯度为为保持盐度历史资料的一致性 仍用原来氯度为19 374 国际标准海水为实用盐度国际标准海水为实用盐度35 000 的参考点 配制的参考点 配制精确精确 浓度 浓度 32 4356 的氯化钾溶液 它在 的氯化钾溶液 它在1个标准大气压个标准大气压 150C下 与国际标准海水的电导率相等下 与国际标准海水的电导率相等 1 0 15 4356 32 0 15 35 15 C C K 实用盐度计算公式实用盐度计算公式 温度为温度为150C海水盐度公式海水盐度公式 其中其中K15 为一个大气压下 温度为一个大气压下 温度150C 海水样品的电导率 海水样品的电导率 与标准与标准KCI溶液的电导率之比溶液的电导率之比 实用盐度不再使用符号实用盐度不再使用符号 1 2 151515 3 225 2 151515 15 0 00800 169225 3851 14 09417 02612 7081 15 0 15 0 242 SKK KKK KC SC KCI S 实用盐度计算公式实用盐度计算公式 Lewis 1980 给出任意温度的盐度公式 给出任意温度的盐度公式 Kt 为任意温度下的电导率之比为任意温度下的电导率之比 上面公式又进一步推广到任意压力 上面公式又进一步推广到任意压力 Millero 1996 1 2 3 225 2 1 23 2 25 2 0 00800 169225 3851 14 09417 02612 7081 15 0 00050 00560 00660 0375 10 0162 15 0 06360 0144 tt ttt ttt tt t SKK KKKS t SKKK t KK KC S 00 0 0 235 tC KCI t CtC 18 关于实用盐度关于实用盐度 由电导率推算盐度可准确到由电导率推算盐度可准确到 0 003 0 003 测盐度的仪器事先用标准海水来标定测盐度的仪器事先用标准海水来标定 盐度盐度3535的标准海水取自大西洋北部 封装在的标准海水取自大西洋北部 封装在275ml275ml的玻璃瓶中 的玻璃瓶中 根据实用盐度标准标定其电导率比和盐度 自根据实用盐度标准标定其电导率比和盐度 自19891989年起 由年起 由 设在英国的设在英国的Ocean Scientific InternationalOcean Scientific International分发到世界各分发到世界各 地地 海洋的平均盐度为海洋的平均盐度为34 734 7 红海最高 红海最高3636 3838 波罗地海最低 波罗地海最低7 7 8 8 影响盐度的因素 影响盐度的因素 外海大洋 蒸发和降雨外海大洋 蒸发和降雨 沿岸海域 径流沿岸海域 径流 低 高纬度海区的盐度 哪一个高 低 高纬度海区的盐度 哪一个高 19 盐量的循环盐量的循环 海浪破碎会产生大量气泡 气泡上升到海面破碎海浪破碎会产生大量气泡 气泡上升到海面破碎 形成小水滴 大风时风会直接将波峰撕裂而生成形成小水滴 大风时风会直接将波峰撕裂而生成 水滴 水滴在空中蒸发而成为盐粒子 成为海盐水滴 水滴在空中蒸发而成为盐粒子 成为海盐 气溶胶进入大气中 饱和水汽以它为凝结核 形气溶胶进入大气中 饱和水汽以它为凝结核 形 成雨滴落到陆地上 最后汇聚到河流又回到海洋成雨滴落到陆地上 最后汇聚到河流又回到海洋 海洋海洋 大气 海洋 波浪波浪 降雨降雨 20 海水盐度的测定海水盐度的测定 利用海水的电导性之城盐度计利用海水的电导性之城盐度计 测量盐度测量盐度 实际应用中 将测量温度 盐实际应用中 将测量温度 盐 度和深度的传感器集成一体 度和深度的传感器集成一体 称为称为CTD温盐深测量仪 分为温盐深测量仪 分为 存储式和直读式两种存储式和直读式两种 利用利用CTD测量得到的电导率是测量得到的电导率是 任意盐度 温度和压力情况下任意盐度 温度和压力情况下 获得的 需要对压力进行修正获得的 需要对压力进行修正 盐度是物理海洋学的一个重要盐度是物理海洋学的一个重要 参数 参数 存储 式 直读式 21 海水的比热容海水的比热容 热容 海水温度升高1K所吸收的热量 单位 J K 比热容 单位质量海水的热容 单位 J K kg 海水的比热是温度 盐度和压力的函数 一般随盐度增大而海水的比热是温度 盐度和压力的函数 一般随盐度增大而 减小减小 海水的比热容比空气的比热容大海水的比热容比空气的比热容大 海水比热 海水比热 3890J 3890J kg Kkg K 海水密度 海水密度 1025kg m1025kg m3 3 空气比热 空气比热 1000J 1000J kg Kkg K 空气密度 空气密度 1 29kg m1 29kg m3 3 海水和大气的比热容相差不大 而热容量相差巨大海水和大气的比热容相差不大 而热容量相差巨大 1m1m3 3海水降低海水降低1 1 C C放出的热量可使放出的热量可使3100m3100m3 3的空气升高的空气升高1 1 C C 海洋是大气的天然空调器 海洋是大气的天然空调器 22 海水的膨胀海水的膨胀 海水的热膨胀系数比纯水大 且随温度 盐度和压力的增海水的热膨胀系数比纯水大 且随温度 盐度和压力的增 大而增大大而增大 低温低盐时 海水的热膨胀系数为负值 说明当温度升高低温低盐时 海水的热膨胀系数为负值 说明当温度升高 时海水收缩时海水收缩 最大海水密度所对应的温度为最大海水密度所对应的温度为 盐度越大 密度最大值对应的温度越低盐度越大 密度最大值对应的温度越低 34231 102 0101 1100 295 3 max SSSt 盐度越大越容易结冰吗 盐度越大越容易结冰吗 23 海水的压缩性海水的压缩性 在通常的研究中 海水被视为不可压缩的在通常的研究中 海水被视为不可压缩的 单位体积的海水 当压力增大单位体积的海水 当压力增大1Pa时 其体时 其体 积的负增量称为压缩系数积的负增量称为压缩系数 海水的压缩系数随温度 盐度和压力的增海水的压缩系数随温度 盐度和压力的增 大而减小 海水压缩系数一般很小大而减小 海水压缩系数一般很小 海水的压缩性是声波传播的关键海水的压缩性是声波传播的关键 声波探测是反潜的关键技术声波探测是反潜的关键技术 24 海水的绝热变化海水的绝热变化 什么叫绝热变化 什么叫绝热变化 海水绝热下沉时 压力增大使体积缩小 温度升高 海水绝热下沉时 压力增大使体积缩小 温度升高 绝热上升时 压力减小使体积膨胀 导致温度降低 绝热上升时 压力减小使体积膨胀 导致温度降低 海水绝热温度变化随压力 深度 的变化率称海水绝热温度变化随压力 深度 的变化率称 为绝热温度梯度 为绝热温度梯度 海洋的绝热温度梯度平均为海洋的绝热温度梯度平均为 0 11 C km 25 海水的位温海水的位温 位温位温 海洋中某一深度的海水微团 绝热上升到海面时海洋中某一深度的海水微团 绝热上升到海面时 所具有的温度称为该深度海水的位温 海水微团所具有的温度称为该深度海水的位温 海水微团 此时相应的密度称为位密 此时相应的密度称为位密 海水的位温显然比海水的位温显然比 其现场温度低 其现场温度低 为什么 为什么 温度和位温温度和位温 26 世界大洋深层水的位温和盐度柱状图世界大洋深层水的位温和盐度柱状图 盐度变化小 位温变化较大盐度变化小 位温变化较大 27 海水的蒸发潜热海水的蒸发潜热 比蒸发潜热比蒸发潜热 使单位质量海水化为同温度的蒸汽所需的热量 使单位质量海水化为同温度的蒸汽所需的热量 称为海水的比蒸发潜热称为海水的比蒸发潜热 L L受盐度影响很小 可只考虑温度的影响受盐度影响很小 可只考虑温度的影响 Dietrich 1980 给出如下计算公式 给出如下计算公式 0 300C 蒸发潜热随温度增大而减小蒸发潜热随温度增大而减小 C300 J kg10 720 29 2502 3 ttL 温度越高越容易蒸发吗 温度越高越容易蒸发吗 28 海水的饱和水汽压海水的饱和水汽压 饱和水汽压饱和水汽压 对纯水而言 饱和水汽压是指水分子有水面逃出对纯水而言 饱和水汽压是指水分子有水面逃出 和同时回到水中的过程达到平衡时 水面上水汽和同时回到水中的过程达到平衡时 水面上水汽 所具有的压力 所具有的压力 对海水而言 由于盐度存在 则单位面积海面上对海水而言 由于盐度存在 则单位面积海面上 平均水分子数目要少 限制了海水蒸发 使饱和平均水分子数目要少 限制了海水蒸发 使饱和 水汽压降低水汽压降低 海面的蒸发量与海面上水汽压与饱和水汽压的差海面的蒸发量与海面上水汽压与饱和水汽压的差 成正比 饱和水汽压小不利于蒸发成正比 饱和水汽压小不利于蒸发 冬季和夏季哪个季节易于水蒸发 冬季和夏季哪个季节易于水蒸发 29 海水蒸发与天气海水蒸发与天气 由于海水蒸发 海洋平均由于海水蒸发 海洋平均 每年失去每年失去126cm厚的海水厚的海水 为何不见海面降低为何不见海面降低 伴随海水蒸发 海洋不仅伴随海水蒸发 海洋不仅 失去水分 同时失去大量失去水分 同时失去大量 热量 由水汽携带而输向热量 由水汽携带而输向 大气 大气 热带气旋 台风 飓风的热带气旋 台风 飓风的 生成生成 为什么台风多在热带和夏秋季生成 为什么台风多在热带和夏秋季生成 30 海水的传导性海水的传导性 相邻海水温度不同时 由于海水分子或海水块体的交换 相邻海水温度不同时 由于海水分子或海水块体的交换 会使热量由高温向低温处转移 称为热传导会使热量由高温向低温处转移 称为热传导 由分子的随机运动引起的热传导 称为分子热传导 海水由分子的随机运动引起的热传导 称为分子热传导 海水 分子热传导系数为分子热传导系数为10 1量级量级 若海水的热传导是由海水块体运动的随机运动所引起 称若海水的热传导是由海水块体运动的随机运动所引起 称 为涡动热传导或湍流热传导 其热传导系数的量级为为涡动热传导或湍流热传导 其热传导系数的量级为 102 103 涡动热传导与海水的运动状况有关涡动热传导与海水的运动状况有关 海水盐量扩散与上述情形类似 但分子盐扩散系数仅为分海水盐量扩散与上述情形类似 但分子盐扩散系数仅为分 子热传导系数的子热传导系数的0 01左右 左右 为什么为什么 31 海水的粘滞性海水的粘滞性 海水的粘滞性海水的粘滞性 当相邻两层海水做相对运动时 由于水分子的不规则运动或海当相邻两层海水做相对运动时 由于水分子的不规则运动或海 水块体的随机运动 湍流 在两层海水之间便有动量传递 水块体的随机运动 湍流 在两层海水之间便有动量传递 产生切应力产生切应力 为动力学粘性系数 单位为为动力学粘性系数 单位为Pa s 为运动学粘性系数 单位为为运动学粘性系数 单位为m2 s 单纯由分子运动引起的粘性系数非常小 一般可忽略 而湍单纯由分子运动引起的粘性系数非常小 一般可忽略 而湍 流引起的涡动粘性系数较大流引起的涡动粘性系数较大 分子粘性对海分子粘性对海 气界面物质交换过程 如气界面物质交换过程 如CO2 非常重要 非常重要 n v 32 海水的力学性质海水的力学性质 海水的渗透压海水的渗透压 被半渗透膜被半渗透膜 水分子可透过 但盐分子不能透过水分子可透过 但盐分子不能透过 分开的海水和淡水 分开的海水和淡水 由于淡水一侧的水慢慢地渗向海水一侧 使海水一侧的压力增由于淡水一侧的水慢慢地渗向海水一侧 使海水一侧的压力增 大 直到达到平衡状态 此时膜两边的压力差 称为渗透压大 直到达到平衡状态 此时膜两边的压力差 称为渗透压 海水的渗透压随海水盐度的增高而增大海水的渗透压随海水盐度的增高而增大 海洋生物的细胞壁就是一种半渗透膜 渗透压对海洋生物的生存十分海洋生物的细胞壁就是一种半渗透膜 渗透压对海洋生物的生存十分 重要 重要 海水的表面张力海水的表面张力 在液体的自由表面上 由于分子之间的吸引力所形成的合力 使自由在液体的自由表面上 由于分子之间的吸引力所形成的合力 使自由 表面趋向最小 这就是表面张力 海水的表面张力随温度的升高而减表面趋向最小 这就是表面张力 海水的表面张力随温度的升高而减 小 随盐度的增大而增大小 随盐度的增大而增大 表面张力对海面毛细波和海浪的生成至关重要 表面张力对海面毛细波和海浪的生成至关重要 33 海水的密度海水的密度 海水密度是海水温度 盐度和压海水密度是海水温度 盐度和压 力的函数力的函数 一般随温度增大而减小 随盐度一般随温度增大而减小 随盐度 增大而增大增大而增大 密度超量密度超量 海水密度可以直接测量吗 海水密度可以直接测量吗 海水状态方程海水状态方程 3 mkg1000 海水密度和状态方程海水密度和状态方程 海水状态方程是海水密度与海水状态参数海水状态方程是海水密度与海水状态参数 温度 盐度 压力之间的关系式温度 盐度 压力之间的关系式 一个大气压下国际海水状态方程一个大气压下国际海水状态方程 高压国际海水状态方程高压国际海水状态方程 22 3 0 CSBSASwtS 1 1 0 ptSK np tSptS 35 海水的沸点升高和冰点下降海水的沸点升高和冰点下降 海水最大密度温度随海水最大密度温度随 盐度增加而降低盐度增加而降低 海水沸点和冰点与盐海水沸点和冰点与盐 度有关度有关 随着盐度增大 沸点随着盐度增大 沸点 升高而冰点下降升高而冰点下降 在海洋中更关心冰点在海洋中更关心冰点 随温度的变化随温度的变化 pSSSt f 8242 33 1053 710154996 210715023 10575 0 最大最大 密度线密度线 结冰温度结冰温度 海水比淡水更容易结冰吗 海水比淡水更容易结冰吗 36 海冰海冰 定义 定义 海水冻结而成的咸水冰 广义指海海水冻结而成的咸水冰 广义指海 洋上所有的冰 包括咸水冰 河冰 冰山洋上所有的冰 包括咸水冰 河冰 冰山 等 等 海冰是淡水冰晶 卤水 和含有盐分的海冰是淡水冰晶 卤水 和含有盐分的 气泡混合体 气泡混合体 按运动形态分为按运动形态分为 固定冰和流冰两大类固定冰和流冰两大类 37 海冰的分类海冰的分类 固定冰固定冰 是与海岸 岛屿或海底冻结在一起的冰 是与海岸 岛屿或海底冻结在一起的冰 冰架 海面以上高于冰架 海面以上高于2 2米的固定冰米的固定冰 冰山 由大陆冰川或冰架断裂后滑入海洋且高出海面冰山 由大陆冰川或冰架断裂后滑入海洋且高出海面5 5米以上的米以上的 巨大冰体 冰山界于固定冰和流冰之间巨大冰体 冰山界于固定冰和流冰之间 流冰流冰 自由浮在水面上 能随风 流漂移的冰 自由浮在水面上 能随风 流漂移的冰 问题 问题 一块流冰在北风吹送下 其漂移方向如何 一块流冰在北风吹送下 其漂移方向如何 海洋中的海冰海洋中的海冰 最初形成的海冰是针状的或薄片状的 随后聚集和凝结 并最初形成的海冰是针状的或薄片状的 随后聚集和凝结 并 在风力 海流 海浪和潮汐的作用下 互相堆叠而成重叠冰在风力 海流 海浪和潮汐的作用下 互相堆叠而成重叠冰 和堆积冰 和堆积冰 海水结冰时 会将部分来不及流走的盐分以卤汁的形式被包海水结冰时 会将部分来不及流走的盐分以卤汁的形式被包 围在冰晶之间的空隙里形成 盐泡 围在冰晶之间的空隙里形成 盐泡 海水结冰时 将来不及逸出的气体包围在冰晶之间 形成 海水结冰时 将来不及逸出的气体包围在冰晶之间 形成 气泡 气泡 新冰的密度大致为新冰的密度大致为 914914 915kg m915kg m 3 3 由于海冰中含有气泡 由于海冰中含有气泡 比纯水冰比纯水冰0 0 时的密度时的密度917kg m917kg m 3 3要小要小 冰龄越长 由于冰中卤汁渗出 密度则越小 夏末时的海冰冰龄越长 由于冰中卤汁渗出 密度则越小 夏末时的海冰 密度可降至密度可降至860kg m860kg m 3 3 左右 左右 39 海冰海冰 海冰的形成海冰的形成 当盐度大于当盐度大于24 69524 695时 海冰冰点高于最大密度温度 只有时 海冰冰点高于最大密度温度 只有 当对流混合层的温度同时达到冰点时 海水才会结冰当对流混合层的温度同时达到冰点时 海水才会结冰 为什为什 么么 海水的结冰海水的结冰 纯水冻结纯水冻结 盐分排出盐分排出 冰下海水密度增大冰下海水密度增大 对流增强对流增强 冰点降低 同时冰层阻碍其下海水热量的散失冰点降低 同时冰层阻碍其下海水热量的散失 减缓冰下海水继续冻结的速度减缓冰下海水继续冻结的速度 结冰时 一些海水被困在冰中 结冰速度越快 俘获的海结冰时 一些海水被困在冰中 结冰速度越快 俘获的海 水越多水越多 40 海冰的盐度海冰的盐度 海冰的盐度是指其融化后海水的盐度 一般为海冰的盐度是指其融化后海水的盐度 一般为3 3 7 7 左右 左右 冻结前海水的盐度越高 海冰的盐度可能也高 在冻结前海水的盐度越高 海冰的盐度可能也高 在 南极大陆附近海域测得的海冰盐度高达南极大陆附近海域测得的海冰盐度高达2222 2323 结冰时气温越低 结冰速度越快 来不及流出而被结冰时气温越低 结冰速度越快 来不及流出而被 包围进冰晶中的卤汁就越多 海冰的盐度自然要大 包围进冰晶中的卤汁就越多 海冰的盐度自然要大 当海冰经过夏季时 冰面融化也会使冰中卤汁流出 当海冰经过夏季时 冰面融化也会使冰中卤汁流出 导致盐度降低 在极地的多年老冰中 盐度几乎为导致盐度降低 在极地的多年老冰中 盐度几乎为 零 零 41 海冰的物理性质海冰的物理性质 海冰的比热容比纯水冰大 且随盐度的增高而增大 海冰的比热容比纯水冰大 且随盐度的增高而增大 低盐时其比热容小 而高盐时其比热容将比纯水冰低盐时其比热容小 而高盐时其比热容将比纯水冰 大数倍 大数倍 海冰的热传导系数比纯水冰小 因为海冰中含有气海冰的热传导系数比纯水冰小 因为海冰中含有气 泡 而空气的热传导系数很小 使得海冰的热传导泡 而空气的热传导系数很小 使得海冰的热传导 系数略大于海水的分子热传导系数系数略大于海水的分子热传导系数 海冰对太阳辐射的反射率远比海水的大 海水的反海冰对太阳辐射的反射率远比海水的大 海水的反 射率平均只有射率平均只有 0 070 07 而海冰可高达 而海冰可高达0 50 5 0 70 7 海冰限制了海洋向大气的热量输送 而且也使海洋海冰限制了海洋向大气的热量输送 而且也使海洋 的蒸发失热大为减少 从而形成了海洋的保护层 的蒸发失热大为减少 从而形成了海洋的保护层 42 海冰的漂移海冰的漂移 一般情况下海冰浮于海面 形状规则的海冰露出水面的高一般情况下海冰浮于海面 形状规则的海冰露出水面的高 度为总厚度的度为总厚度的1 71 7 1 101 10 尖顶冰露出的高度达总厚度的 尖顶冰露出的高度达总厚度的 1 41 4 1 31 3 冰山和流冰的漂移方向主要受风和海流共同制约冰山和流冰的漂移方向主要受风和海流共同制约 无风时 漂移方向与速率大致与海流相同无风时 漂移方向与速率大致与海流相同 单纯由风引起的漂移速度约为风速的单纯由风引起的漂移速度约为风速的1 50 1 40 方向偏 方向偏 风矢量之右 北半球 或之左 南半球 风矢量之右 北半球 或之左 南半球 为什么为什么 冰山一角冰山一角 43 海冰的分布海冰的分布 北半球冰界以北半球冰界以3 3 4 4月最大 月最大 8 8 9 9月最小 流冰群主要绕洋月最小 流冰群主要绕洋 盆边缘流动 多为盆边缘流动 多为3 3 4 4米厚的多年冰 米厚的多年冰 北冰洋几乎终年被冰覆盖 冬季约覆盖洋面的北冰洋几乎终年被冰覆盖 冬季约覆盖洋面的84 夏季 夏季 覆盖率覆盖率54 南半球冰区以南半球冰区以9 9月最大 月最大 3 3月最小 多为月最小 多为2 2 3 3米厚的 一冬米厚的 一冬 冰 冰 南极洲是世界上最大的天然冰库 占全球冰雪总量的南极洲是世界上最大的天然冰库 占全球冰雪总量的90 90 以上以上 南极洲附近的冰山 是南极大陆周围的冰川断裂入海而成南极洲附近的冰山 是南极大陆周围的冰川断裂入海而成 的 出现在南半球水域里的冰山 长宽可达有几百公里 的 出现在南半球水域里的冰山 长宽可达有几百公里 高几百米 高几百米 44 海冰的分布海冰的分布 卫星捕捉到的南极冰山滑落卫星捕捉到的南极冰山滑落 格陵兰岛是北半球冰山的主要格陵兰岛是北半球冰山的主要 发源地 每年约有发源地 每年约有7500座冰山座冰山 由此进入海洋由此进入海洋 北极冰山向南运动的平均界限北极冰山向南运动的平均界限 为为400N 南大洋海域经常有南大洋海域经常有22万座冰山 万座冰山 太平洋 印度洋和大西洋的流太平洋 印度洋和大西洋的流 冰界限分别为冰界限分别为500S 450S 430S 南大洋中冰山的平均寿命为南大洋中冰山的平均寿命为13 年 是北半球冰山平均寿命的年 是北半球冰山平均寿命的4 倍多倍多 45 海冰与海况海冰与海况 结冰过程利于铅直对流混合结冰过程利于铅直对流混合 表层高溶解氧海水表层高溶解