航道测量学2 海洋环境基础

可见的海洋现象

由地球自转引起的海洋活动——海流

OCEANCURRENT由风力引起的海洋活动——海浪

WAVE由地质活动引起的海洋活动——海啸

TSUNAMI由地球和太阳系天体的作用引起的海洋活动——潮汐

TIDE第二章2.1地球形状与海洋地形1、地球自然表面：形状非常复杂，有高山、丘陵、平原、河谷、湖泊及海洋。世界上最高的山峰珠穆朗玛峰高达8844.43m（2005年），而太平洋西部的马里亚纳海沟则深达11034m。2、大地水准面：静止的海水面向大陆延伸所形成的一个封闭的曲面。3、铅垂线：重力方向线。铅垂线与大地水准面处处正交。大地水准面地球表面低密度矿体高密度矿体地球表面大地水准面NSOaab地球椭球由于地球内部物质分布的不均匀性，使得地面上各点铅垂线方向产生不规则的变化，这将造成大地水准面实际上是略有起伏而极不规则的光滑曲面。使测量数据的处理和成图是极其困难的，甚至是无法实现的。地球椭球体：以接近大地体的旋转椭球体来代替大地体的旋转椭球。用a表示椭球体的长半轴，b表示短半轴，以f表示地球椭球的扁率。总地球椭球体：与大地体最接近的地球椭球。(宏观)参考椭球：局部与大地体密合最好的地球椭球。(微观)2.1.1地球形状椭圆的长半轴a椭圆的短半轴b椭圆的扁率alpha=(a-b)/a椭圆的第一偏心率e=(a^2-b^2)^0。5/a椭圆的第二偏心率

e'=(a^2-b^2)^0。5/b我国所采用的参考椭球有：新中国成立前的海福特椭球；新中国成立初期的克拉索夫斯基椭球。1978年我国根据自己实测的天文大地资料推算出适合本地区的地球椭球参数，从而建立了1980西安大地坐标系，并将大地原点设于陕西省泾阳县永乐镇。2.1.1地球形状海岸地形海面地形海底地形海洋地形2.1.2海洋地形1）海面地形海面地形——海面由于受潮力、风、流、海洋水文、气象、重力、地球自转等因素的影响而处于不停的运动和变化之中。沿用陆地地形的概念，把海面相对于大地水准面的起伏称为海面地形。瞬时海面——瞬时海面地形平均海面——似静态海面地形没有潮汐影响的海面地形有3~4米。海面地形的测量验潮与精密水准联测海洋水准卫星测高验潮站又称潮位站。为了解当地海水潮汐变化的规律而设置的。为确定平均海面和建立统一的高程基准，需要在验潮站上长期观测潮位的升降，根据验潮记录求出该验潮站海面的平均位置。精密水准测量是每千米水准测量高差中数的偶然中误差(M△)不超过l毫米的水准测量。一般指国家二等或二等以上的水准测量。水准测量又名“几何水准测量”，是用水准仪和水准尺测定地面上两点间高差的方法。在地面两点间安置水准仪，观测竖立在两点上的水准标尺，按尺上读数推算两点间的高差。通常由水准原点或任一已知高程点出发，沿选定的水准路线逐站测定各点的高程。由于不同高程的水准面不平行，沿不同路线测得的两点间高差将有差异，所以在整理国家水准测量成果时，须按所采用的正常高系统加以必要的改正，以求得正确的高程。我国国家水准测量依精度不同分为一、二、三、四等。一、二等水准测量称为“精密水准测量”，是国家高程控制的全面基础，可为研究地壳形变等提供数据。三、四等水准测量直接为地形测图和各种工程建设提供所必需的高程控制。海洋水准测量

marineleveling:为确定大陆沿岸和岛屿之间高差所进行的测量。海洋水准测量（oceanographicleveling）是通过测定海水密度、海面大气压、海水流速等海水物理特性，确定海面地形的测量技术和方法。主要用于测定深海海域的海面地形。包括：①位差一距水准测量，是将海面的等压面视作等位面，通过测定海水分层的温度、密度，用基本流体静力方程计算平均海面相对于等位面的力高；②地转流水准测量，是通过测定海面的流速，用地转平衡方程（表征水平方向的科氏力与压力的水平分量之间平衡关系的方程，当此方程被满足时海水将稳定且均匀流动）确定两点之间的海面地形之差的；③连通管水准测量。2）海岸地形海岸线——海洋与陆岸的交界线。一般地图上的海岸线是现代平均高潮线。海岸带——海岸线向陆、海两侧扩展一定宽度的带状区域。我国采用向陆地扩展10公里，向海里扩展15米。与陆地测量的方法基本相同3）海底地形海底地形：海洋底部高低起伏的复杂程度不亚于陆地，既有高山深谷，也有平原丘陵，而且在规模上非常庞大，外貌上更为壮观。高度超过一千为海山，小于一千为海丘，平坦被削去的为平顶海山，连绵不绝为海底山脉，比海底山脉广阔平坦叫海膨，还有海台，海盆等。3）海底地形据海底地形的基本特征，一般把海底地形分为大陆边缘（分为大陆架、大陆坡、大陆隆）、大洋盆地、大洋中脊；大陆边缘：大陆与海洋的边缘地带。大洋盆地：海洋的主题，其周边与大陆基相连，也有与海沟或岛弧直接相连。大洋中脊：屹立于大洋底部的巨大山脉。世界大洋的海底像个大水盆，边缘是浅水的大陆架，中间是深海盆地，洋底有高山深谷及深海大平原海底的基本轮廓：沿岸陆地，从海岸向外延伸，是坡度不大、比较平坦的海底，这个地带称“大陆架”；再向外是相当陡峭的斜坡，急剧向下直到3000米深，这个斜坡叫“大陆坡”；从大陆坡往下便是广阔的大洋底部了。整个海洋面积中，大陆架和大陆坡占20％左右，大洋底占80％左右。（一）大陆架大陆架是大洋低潮线至大陆坡上缘的边缘海地带。它的深度一般不超过200m，平均深度130m左右，个别地区深度也有大于500m或小于130m的。大陆架的地形比较平坦，90％以上的面积由大陆台地的淹没平原组成。地质构造上是大陆型地壳，是大陆直接延续的浅水海底部分。大陆架坡度一般不超过1°—2°，平均宽度为75km。太平洋西部沿岸大陆架宽广，如白令海北部、黄海的全部都是大陆架（东西宽750km）。太平洋东部大陆架狭窄，如北美洲的加利福尼亚岸外南部大陆架宽20km，南美洲西岸外大陆架最宽才70km。大陆架形态很不规则。（二）大陆坡大陆架外沿、表面坡度较陡、深度一般在200—2500m的狭窄海底地带，叫做大陆坡。大陆坡的平均倾斜角为4°—7°，有时为15°—26°，个别地段甚至达40°—50°。它一般具有阶梯状剖面，坡面地貌由台阶、陡坎、高地、洼地、峡谷和山脉等组成，其中横剖面呈V形的海底峡谷分布相当广泛，下切很深（可达2000m），长可达数百公里。太平洋大陆坡较窄，平均宽度只有20—40km。东太平洋海岸附近大陆坡水下断崖，由阿拉斯加湾至加利福尼亚延伸4800km，这个水下台阶高达3000m。加利福尼亚南部大陆坡是堆积型大陆坡，由一些巨大的堆积盆地组成。（三）大陆基大陆基是延伸于大陆坡的坡麓和大洋床之间的地貌单元，呈几百公里宽的带状。在大多数情况下，大陆基地貌为倾斜平原，大陆基的堆积物呈扇形分布，它一部分覆盖在大陆坡的基部，一部分覆盖在大洋床上，故亦称大陆裾或大陆隆。坡度约1/100—1/700。海沟发育的太平洋基本上没有这一单元，大陆基仅占太平洋洋底面积的1。7％。3）海底地形A大陆边缘大陆边缘一般包括大陆架、大陆坡、大陆隆(亦称大陆基)；太平洋的大陆边缘占太平洋总面积的10.2％，其中大陆架5.5％，大陆坡3％，大陆基1.7％约占海洋总面积的22%。*大陆架大陆架：毗连大陆的浅水区域和坡度平缓的区域；地质学上认为是大陆在海面以下的自然延续部分；取海岸线到水深200米以内；平均深度133米;宽度1~10000千米，平均宽度74千米；平均坡度0.1度。地壳为硅质花岗岩构成，浪、潮、流季节变化大，有丰富的油气田，是渔业、养殖业主要场所。*大陆坡大陆坡——大陆架外缘较陡倾斜的地区，号称“地球上最大最陡的斜坡”。平均坡度4.3度，宽度15~90千米，深度200~2500米。地形——深且陡峭的v型海底峡谷，大陆坡上最显著的地貌，有的谷深达2000到3000米。*大陆隆大陆隆——大陆坡外，向洋盆缓慢倾斜的平坦地区。面积大，平坦，深度2500~4500米，平均3700米。由路地基部向深海缓慢倾斜的沉积裾，其沉积物呈扇形分布。沉积物厚度达10余公里，宽达600余公里。其它地貌：海沟海沟——分布在大陆边缘与大洋盆地的交界处，是海洋中的最深区域，深度一般超过6000米;一般沿着大陆边缘或岛链伸展。世界海洋总共有30多条海沟，约有20条位于太平洋。其他地貌：岛弧岛弧——呈弧形排列的群岛。特点：弧形凸面朝向海洋，岛弧外侧常有深的海沟，是分割大洋盆地和边缘盆地的重要构造地貌单元。成因：板块学说认为，岛弧是大洋板块向大陆板块俯冲时，大陆板块受挤上拱，隆起而成。地质活动：岛弧属构造活动地区，有强烈的地震和火山活动。如太平洋上的千岛群岛、阿留申群岛等B大洋盆地大洋盆地：海洋的主体，指大洋中脊坡麓与大洋边缘之间的广阔洋底；其周边与大陆基相连，也有与海沟或岛弧直接相连；大洋盆地的主要部分是水深4000~5000米的开阔水域，称深海盆地；深海盆地中最平坦的地区称深海平原。占海洋总面积的45%。C大洋中脊大洋中脊：屹立于大洋底部的巨大山脉。相对高度3000米以上，连绵数万公里。占海洋面积32.7%；世界大洋中最宏伟的地貌单元。它隆起于洋底的中央部分，贯穿整个世界各大洋，线状延伸，遍及全球，成为一个具有全球规模的洋底山脉。全球大洋中脊大洋的脊梁就是大洋中脊，它决定着海洋的成长。大洋中脊大西洋中脊的峰是锯齿形的，分布在大西洋中间，大致与东西两岸平行，呈"S"形纵贯南北。自北极圈附近的冰岛开始，曲折婉蜒直到南纬40度，长达1.7万公里，宽约1500一2000公里不等，约占大西洋的三分之一。其高度差别很大，许多地方高出海底5000多米，它平均高度约3000多米。高出海面部分，成了岛屿。如冰岛就是大洋中脊高出水面的一部分。这样巨大规模的山脉，是陆地上任何山脉无法比拟的。更为奇特的是，在大洋中脊的峰顶，沿轴向还有一条狭窄的地堑，叫中央裂谷，宽约30-40公里，深约1000-3000米。它把大洋中脊的峰顶分为两列平行的脊峰。

三类海底地形的面积和比例海底地形地形单元面积102KM2占海洋面积%占地球面积%合计大陆边缘大陆架、大陆坡大陆隆岛弧、海沟55.019.26.115.35.31.710.93.81.215.9%大洋盆地深海盆地火山、海峰等海底高地，海岭151.55.75.441.81.61.529.71.11.131.9%大洋中脊大洋中脊118.632.723.223.2%小结：海洋测量的内容海面地形海岸地形海底地形几何水准海洋水准卫星测高确定海岸地物和地貌的平面位置和高程同普通地形测量确定海底地物和地貌的深度和平面位置海洋水准测量（oceanographicleveling）是通过测定海水密度、海面大气压、海水流速等海水物理特性，确定海面地形的测量技术和方法。是用水准仪和水准尺测定地面上两点间高差的方法。在地面两点间安置水准仪，观测竖立在两点上的水准标尺，按尺上读数推算两点间的高差。通常由水准原点或任一已知高程点出发，沿选定的水准路线逐站测定各点的高程。2.2海洋物理基础知识海洋环境的特殊性水中的含氧量少：人在水中不能呼吸。高压区域:1个大气压为760毫米汞柱，等于10米水注。每下潜10米深度就相当于增加1大气压。低温场所:

人员和仪器工作困难动荡环境：海上观测到的最大的浪高为30多米。水下通信困难:光穿透能力有限，挡住人们的视线。陆地上的电磁波在海水上衰减的厉害。得天独厚的只有声波；但声波传播速度慢，水下的通讯手段远不如陆地上那么有效和先进。海洋仪器腐蚀或失效。海洋环境的特殊性黑暗世界水对光线有强吸收作用。即使光线强烈，太阳光也是只能照射到水下40米左右的深度。水对光线的吸收量比空气大千倍以上，而且水越混浊吸收量就越大。天气晴朗，光线在空气中每行进1000米，约有5%~10%的光线被吸收。可见光在自来水中每行进1米，被吸收25%以上；在暴雨后混浊的河水和沿岸海水中，每行进1米，就要被吸收掉85%~95%。水吸收光线的另一个特点是随着深度的增加，按光波的长短顺序逐个吸收，一般来说，长波光线先被吸收，短波光线后被吸收。例如：人们在水中很少看到红色光。红光是长波光，10米的表层内首先被水吸收掉。主要内容海水的物理特性光、电、声在海水中的传播

盐度

温度

密度海水的物理特性海水是指含有多种溶解固体和气体的水溶液，其中水约占96.5％，其他物质约占3.5％。人们在陆地上发现的100多种元素，海水中就有80多种，其化合物的种类则更多。海水的组成成分主要来源于地球体的释放、陆地沉积物以及突出在海中的玄武岩等与海水的化学反应。

海水的成分海水的盐度海水盐度——1千克海水中的含盐量（克），采用符号S(‰)表示。利用“海水组成恒定性”，测定出其中其一主要成分的含量，便可推算出海水盐度。480度加热48小时

就海洋表面而言，盐度主要与降水量、蒸发量有关。降水量比蒸发量大的海区，盐度小；反之盐度大。 另外，附近有陆地淡水汇入或有寒流经过也可以降低盐度。 表层盐度分布与气候关系很密切，中高纬度地区，北大西洋最高，南大西洋、南太平洋次之，北太平洋最低。极地盐度偏低与结冰、融冰有关。1千克海水中将（Br-，I-）以氯置换，碳酸盐分解为氧化物，有机物全部氧化，所余固体物质的总克数。K:在一个标准大气压力下，温度为15度时，海水样品的电导率与标准KCL溶液的电导率之比。是海水中全部溶解固体与海水重量之比，通常以每千克海水中所含的克数表示。世界海洋的平均盐度约为3。5％。盐度的数量概念全球海洋海水盐度的平均值：34.7‰全球海洋海水盐度的变化范围：32‰~38‰之间全球海洋海水盐度的最大值：41‰（红海）全球海洋海水盐度的最小值：<10‰（波罗的海）在盐度>42‰的海面上，人可仰卧在水面上看书写字按国家规定，人体饮用水含盐量标准应在1000毫克/升下世界大洋盐度分布大洋表层的海水受蒸发、降水、洋流和陆地径流等的影响，盐度分布不均。根据大洋中盐度分布的特征，可以鉴别水团和了解其运动的情况。在研究海水中离子间的相互作用及平衡关系，探索元素在海水中迁移的规律和测定溶于海水中的某些成分时，都要考虑盐度的影响。此外，因为实际工作中往往难以在现场直接准确测定海水的密度，所以各国通常测定盐度、温度和压力，再根据海水状态方程式计算密度。1、两极附近、赤道区、受陆地径流影响的海区，盐度比较小；2、在南北纬20度的海区，海水的盐度则比较大；南盐度变化图北海区分布盐度大小主要原因高纬度海区低纬度高、气温低、蒸发量少、水温低副热带海区高副高控制、降水量少、气温较高、蒸发量大于降水量低纬度海区较低赤低控制、降水量大、降水量大于蒸发量高纬度海区由于海水有结冰与融冰现象，因而同一海区会呈现冬夏盐度的季节变化，冬季温度低海水结冰，因而盐度偏高；春季以后海水融冰，盐度偏低。波罗的海是世界上盐度最低的海区，红海是世界上盐度最高的海区，除了受“气候因素和有无陆地河流淡水汇入”这两大因素的影响外，还有一个原因就是波罗的海和红海都是由于“海域比较封闭”，其海水与外海的海水沟通比较少。海水的温度收入：太阳辐射支出：蒸发温度的数量概念全球海洋表面年平均水温为17.4℃，比全球年平均气温14.3℃高出3.1℃。在1000米深处的水温约为4℃~5℃；在2000米深处的水温约为2℃~3℃；全球海洋平均温度为3.5℃。海水的密度海水的密度——单位体积海水所具有的质量。海水密度是海水温度、盐度、压力的函数。海水的密度随着密度的增大向下递增。大约从1500米深度开始，密度随着深度的变化越来越小，在深层，海水的密度几乎不再随着深度的增加而变化。当水温或者盐度分布反常时，海水密度分布就会出现“跃层”。跃层会使水下声波传播时发生折射，潜艇躲在跃层下面能避开声纳侦察。跃层有两种：一种是随着深度增加，海水密度突然增大。这种跃层比较稳定，潜艇可以停机后坐在上面，既节省燃料，又隐蔽安全。所以人们把这种跃层称为“波体海底”。还有一种跃层，是密度随深度增加时密度突然降低。这种跃层极不稳定，一旦遇到扰动，上层密度大的海水就会下沉，就会遭到破坏。如果潜艇在这种跃层上航行或停坐就很危险，可能会突然下沉失去控制而坠毁海底，所以人们把它叫做“海底断崖”。

海水的密度是海水盐度、温度和压力的函数：海水密度略大于1；密度变化赤道地区密度小，约有1.0230。由赤道向两极变大，可达到1.0270以上。海水密度随深度的增大向下递增。约从1500米深度开始，变化越来越小。海水密度：海水的密度比纯水大，约为1.022一1.028g／cm。它随温度、盐度和压强而变化。温度升高时密度减小，盐度增加时密度增大，气压加大时密度增大。纯水以4℃时密度大，当盐度为2.47％对，最大密度的温度与结冰温度为一1.332℃。通常情况下海水盐度为3.46％（死海盐度最高，达30％——死海是咸水湖），所以，最大密度的温度比结冰温度低海水的密度会随着季节产生变化。轮船有一条“吃水线”。它是货船在海水里装货的标准。“吃水线”下有四条短线，是货船在不同海区，不同季节使用的装货标准。这与海水的密度有关小结：海水的性质海水温度海水盐度海水密度分布规律由赤道向两侧递减随深度增加而递减由副热带海区向两侧递减随深度增加而递增赤道小，两极大随深度的增大向下递增影响因素太阳辐射洋流地形气象降水量和蒸发量之差河川径流、洋流、海区封闭程度温度盐度深度小结：各种性质的分层混合层：海洋的表层（厚度约为100米），受太阳的辐射的加热作用，海水温度较高，密度小，但由于风和波浪的搅拌作用，形成一个基本匀质的水层；称为上混合层，或者季节变化层；随着海水深度的增加，温度降低，密度增高，在上混合层之下，存在着一个厚度约1000~1500米的跃层，海水温度和海水密度、盐度随着海水深度增加而呈现阶越性变化。跃层之下更深的水层中，温度、盐度、密度的垂直分布几乎处于均匀状态，这一水层称为深海层。为什么讲海水的性质?海水性质的变化规律影响光声电的传播规律折射率——海水温度、盐度、密度的函数当水温或者盐度分布反常时，海水密度分布就会出现"跃层"。跃层会使水下声波传播时发生折射，潜艇躲在跃层下面能避开声纳侦察。跃层有两种：一种是随着深度增加，海水密度突然增大。这种跃层比较稳定，潜艇可以停机后坐在上面，既节省燃料，又隐蔽安全。所以人们把这种跃层称为"波体海底"。还有一种跃层，是密度随深度增加时密度突然降低。这种跃层极不稳定，一旦遇到扰动，上层密度大的海水就会下沉，月就会遭到破坏。如果潜艇在这种跃层上航行或停坐就很危险，可能会突然下沉失去控制而坠毁海底，所以人们把它叫做"海底断崖"光电声在海水中的传播长期以来，人们主要利用光、声、电技术来研究海洋；卫星技术用于研究海洋以后，光、声、电技术在探索海洋、研究海洋、开发海洋资源中，发挥了更大的作用。一、光波在海水中的传播名称频率范围(Hz)波长(µm)远红外0.3×1012~3.0×10121000~100中红外3.0×1012~1.0×1014100~3近红外1.0×1014~4.3×10143~0.7可见光4.3×1014~7.5×10140.7~0.4紫外光7.5×1014~3.0×10160.4~0.01名称波长(µm)红0.62~0.76橙0.59~0.62黄0.56~0.59绿0.50~0.56青0.47~0.50蓝0.43~0.47紫0.38~0.43光波在海水中的传播吸收过程——光子能量转变为热能、化学能等引起的多种热力学不可逆过程。散射过程——受介质微粒作用而使光偏离直线传播方向的光辐射。两个基本过程：吸收和散射的双重作用使光能逐渐衰减；吸收过程——衰减散射过程——改变了光的前进方向——水中的粒子，微粒，透明物质的散射和折射水对光线的传播特点光线在水中的衰减比空气大千倍以上；水是光的不良导体；水越混浊衰减越大；随着深度的增加，按波长长短顺序逐个吸收，一般来说长波先被吸收，短波后被吸收。蓝光的散射和吸收大致相等。其他的以吸收为主潜水员在水下的色觉改变；如果潜水员在水下作业时不小心受伤流血，他不会看到自己手上流出来的红血。因为太阳光中的红光是长波光。他被水深10米的表层内首先被水吸收掉。血看起来是蓝黑色。例：光的吸收在天气晴朗时，光线在空气中每行进1000米，约有5%~10%的光线被吸收。可见光在蒸馏水中每行进1米，就被吸收10%以上。在自来水中每行进1米，被吸收25%以上在湖水中每行进1米，被吸收50%以上。在暴雨后混浊的河水和沿岸海水中，每行进1米，就要被吸收掉85%~95%；例：水中的视程水中的水平视程（能见度）通常为大气中视程的千分之一左右。水中目标的识别，取决于目标与的背景的对比度。当表现对比度下降1/e时，观察距离l=1/(μ+kcosθ)，称l为对比度衰减长度。对比度衰减长度清洁海水20米海岸带海水5米混浊水体若干厘米水平观察视程自然光照条件黑色目标4个衰减长度其它目标3.5个衰减长度夜晚自身发光目标15~20个衰减长度水中照相2~4个衰减长度E=2.71828对比度衰减长度：表现水中能见度的一个单位根据对比度传输规律，当表现对比度下降1/e时，观察距离l=1/(μ+kcosθ)，称l为对比度衰减长度。清洁的海水的对比度衰减长度可达20米左右，海岸带水体的对比度衰减长度约为5米，混浊水体的对比度衰减长度有时只有几厘米。人眼所能观察到的对比度的下限为0.02，黑色目标在自然光照条件下的水平观察视程为4个衰减长度，而大多数目标的视程为黑色目标视程的7/8。在夜晚无自然光照条件下，自身发光的目标的视程，在理论上可达无穷大，但实际上只能达到15～20个衰减长度。盛夏，光线强烈的情况下，太阳光也只能照射到水下40m左右的深度；例：大洋的颜色海水的颜色是由海面反射光和来自海水内部的回散射光的颜色决定的。由于蓝光和绿光在水中的穿透力最强，所以它们回散射的机会也就最大。所以，海水看上去呈蓝色或者绿色。日光投射到海面上，部分被反射，其余进入水中。海水吸收红光最多，透射蓝光最多。大部分红光仅能射入2到3米水层。蓝光穿透最深，超过500米。海水中的悬浮颗粒对波长短的蓝光与绿光吸收较多，而对其他光的散射则与光的波长无关。海水的颜色主要由水分子和悬浮颗粒对光的散射所决定，所以混浊程度不同的海水颜色也不同。近岸的海水悬浮颗粒多，而且颗粒也大，所以，从远海到近岸水域，海水颜色依次由深蓝逐渐变浅。在含沙量较多的河口附近，海水中有大量陆地植物分解产生的浅黄色物质，因此海水看上去为淡绿色二、电磁波在海水中的传播空气淡水海水介电常数/电容率18080电导率(欧姆/米)01~5×10-30.7~7表征媒质电学特征和导电性电磁波的传播速度与介电常数的平方根成反比电导率越大，衰减越大介电常数又称电容率或相对电容率，表征电介质或绝缘材料电性能的一个重要数据，常用ε表示。它是指在同一电容器中用同一物质为电介质和真空时的电容的比值，表示电介质在电场中贮存静电能的相对能力。与海水温度、盐度、波的频率有关二、电磁波在海水中的传播频率速度（米/秒）穿透距离1赫兹1.8×1031160米100赫兹18×103116米1兆赫2×1061米10000兆赫2.7×1084毫米频率越高，电磁波的传播速度越大；频率越高，电磁波的衰减越快；穿透距离——电磁波的振幅衰减为原来的1/E时的传播距离。结论：电磁波的传播兆赫以上的电磁波在海水中的穿透深度小于25厘米，海水对这种电磁波就成为很强的屏蔽层。频率低于10周/小时的电磁波，海水中的穿透深度可达5000米。在海水中接收来自空间的电磁波进行通讯或海底测深，以低频而波长较长的电磁波较为有利，而高频电磁波无实用价值。小结：光波、电磁波的应用光波和各种电磁波在海水中被吸收得很厉害，衰减很快，只能传播很短的距离，而且波长越短，衰减越大；使用几千赫的低频电波，用很大功率的长波发射电台，也只能和几十米深处的潜艇通信；即使在最清澈的海水中，人们最多也只能看到十几米到几十米以内的东西；小结：光波、电磁波的应用研究和探测大气和海洋表层界面的物理和化学特性中，海洋光学技术，电子技术获得了广泛应用。特别是基于海洋遥感技术和设备发挥了重要作用基于可见光波段的航空或宇航照相系统；基于红外波段的多光谱扫描系统和红外探测系统；基于厘米波段的微波系统基于十米波段的超视距雷达和合成孔径雷达探测系统可见光传感器——借助于可见光实现遥感的仪器各种类型的照相机、多光谱照相机，多光谱扫描仪，沿岸带水色扫描仪，电视摄像系统；适于拍摄云图，观测海冰，海岸形态，沿岸流流向，波浪，海岛，海滩定位，测定海滩水色透明度和叶绿素含量等。微波——根据海水的导电性：盐度油层的厚度海面风；红外——温度，热污染的监测三、声波在海水中的传播声波可闻声波（f:16Hz~20000Hz）次声波（f<16Hz）超声波（f〉20000Hz）波长短能以很窄的束射形式发射，具有很强的方向性，贯穿能力1、声波在海水中的吸收吸收系数：单位距离能量衰减的程度1.3×103f1/20.036f3/2声波的吸收能量形式传播速度吸收系数电磁波3×1081.3×103f1/2声波1.5×1030.036f3/2声波的速度比电磁波小；声波的吸收损失比电磁波小；2、声速声速——在液体中声波的传播速度，为：介质类型K达因/厘米2ρ

克/厘米3C米/秒空气1.41×1061.22×10-3340海水2.15×10101.021450对弹性体施加一个整体的压强p，这个压强称为“体积应力”，弹性体的体积减少量(-dV)除以原来的体积V称为“体积应变”，体积应力除以体积应变就等于体积模量:K=P/(-dV/V)声速是S、P、T的函数经验公式：与温度：随温度升高而增大。温度升高1摄氏度声速的变化是原来的0.35%，设C=1450m/s，则声速将增加5m/s;与盐度：随盐度增加而增大。盐度增加1，声速值增加1.14m/s;与压力：静压力增加，声速值增加。海水深度变化100米，声速增加为1.75m/s。声速与水深声道轴上层水域中，声速的变化主要是由温度和盐度的变化决定；较深的水中，声速的大小主要是取决于海水的压力在水下某深度处存在一声速极小值，其所在的水层称为声道轴。3、声波的反射和折射声波遇到不连续界面时，将产生反射和折射现象。与在空气中不同，声音在海水中的传播速度取决于海水的温度、压力和盐度，其传播路径也不是直线的，而是按斯涅尔定律呈圆弧形。斯涅尔定律是空气中光波的传播定律，但适用于声波在水中的传播。当水的密度发生变化时，声波会出现折射现象。声波从低密度层向高密度层传播时，向法线方向折射；相反，从高密度层向低密度层传播时，则向偏离法线方向折射。此外，海面和海底还会使声波产生散射，出现圆弧会聚现象，使从某一声源发出的声波不能从某一海区通过。声射线路径声射线——声波在海水中的传播路径，简称声线；声射线呈抛物线，凹向声速小的方向。声波从低密度层向高密度层传播时，向法线方向折射；相反，从高密度层向低密度层传播时，则向偏离法线方向折射。声波的传播

声波从低密度层向高密度层传播时，向法线方向折射； 从高密度层向低密度层传播时，则向偏离法线方向折射。4、水下声道水下声道——若声源位于声道轴附近，则所辐射的大部分声波的能量集中在声道轴上下一定厚度的水层中向远方传播，此水层称为水下声道。由于在声道轴上下方的声速梯度的方向相反，按声波折射定律，声传播方向将凹向声道轴，故使声波经过海面和海底的反射，而在声道中反复的传播。在水下某深度处存在一声速极小值，其所在的水层称为声道轴，由于在声道轴上下方的声速梯度的方向相反，按声波折射定律，声传播方向将凹向声道轴，故使声波部经过海面和海底的反射，而再声道中反复的传播；声速随着水接近温跃层时的温度下降而减慢。在温跃层下，温度是不变的，但是压力的增加引起声速增加（左）。因为声波向速度最小的区域转向或折射，温度或压力的变化引起声波在称为深层声音通道（又叫声音固定和延伸渠道）的地区内前后跳动，在这条通道里，声音以最小的信号损失传播很长距离。

声波在水下声道中的传播水下声道的深度一般在900~1300米左右；声波在水下声道中的传播距离可达几千公里，低频声波甚至能传播上万公里远。在水下通讯，营救，海啸预报等方面有重要意义；进行海底地质勘探时，通过测量海底各地层中的声速，可判断出海底的地质构造。5、海底地层中声波传播地球物理勘探——由于海底地层的物质组成和构造不同，对同一地震波产生的反射波也不同，地震波在地下传播时，在不同介质中以不同速度传播，遇到不同的地层分界面，会产生反射和折射而返回地面，接收反射波，就能准确测定界面的深度和形态，判断地层的岩性，勘探含油气构造，石油等。世界上比较著名的英国北海油田就是用这种方法发现的。它主要利用一种拖曳式线列阵声呐，用人工在海下制造小地震的方法，记录局部海区的地貌，借以判断有无油气田。我国从北到南的近海地区正在开展这类勘探。海底沉积物类型与声速沉积物类型颗粒的直径沉积物的含量密度声速沙淤泥粘土大陆架粗砂0.530mm100%__2.031836大陆架细砂0.153mm88.1%6.3%7.1%1.981742…………………小结：声波的应用广泛用于研究水下通讯，导航，海底地质，地形地貌，资源勘探，海洋生物等声纳(SONAR):soundnavigationandranging四、声纳技术水声技术——研究和开发海洋所用的声学技术叫做水声技术；声纳系统——利用水下声波的传播特性来进行水中目标探测，识别，定位，导航和通讯的设备系统，都广义的称为声纳系统。1、声纳技术的发展1490年，意大利著名艺术家和工程师达。芬奇曾在他的笔记中这样写到：“如果使船停航，将一根长管的闭口端插入水中，而将另一开口端放在耳旁，便能听到远处的航船声”。很早以前，渔夫就通过发出大的声音，例如敲钟并听回声的方法，来估计前面被大雾掩盖住了的陆地的距离。到1902年，航行过美洲海岸的船只通过安置在固定灯船上的水下钟来获得暗滩的警告。听测管：不发射声波，专门听测水下目标发出的声信号的声纳声纳技术的发展1826年，瑞士和法国的科学家在日内瓦湖中测到声波在水中传播的速度是1435米/秒；从那时起人们就知道声波不仅在水下可以传播，而且比在空气中传播的更快，更远。声纳技术的发展1912年4月14日，加拿大纽芬兰岛南部的洋面上，航行着英国四万吨级豪华大客轮“泰坦尼克”号。23点40分，船上瞭望员发现一座巨大的冰山出现在离船不远的正前方。但改变方向已经来不及了，船壳撞裂，船身下沉，1500人遇难。英国科学家L.F.里查逊在船沉没后5天和半年中，连续申请了两项专利，提出，用声波在空气和水中探测障碍物；声纳技术的发展1913年，美国科学家R.A.费森登制造了世界上第一台测量水下目标的“超声波回声探测仪”以寻找沉船“泰坦尼克号”；1914年4月，成功的用这台仪器在2英里的距离上探测到冰山。声纳技术的发展：军事上1776年7月4日，美国人戴维特.布什内尔利用自己制造的“海龟号”对企图侵占纽约的英国水面舰艇成功地进行了袭击，从而揭开了水下战斗的序幕。一战期间，各国潜艇共击沉192艘战斗舰艇，运输船约6000艘。二战期间，德国潜艇不仅袭击军舰，而且还疯狂地攻击商船。仅1939年9月，德国潜艇共击沉同盟国和中立国的船只41艘，15.4万吨。对盟国的海上运输生命线构成了极大的威胁。声纳技术的发展声呐的出现，对潜艇构成极大的威胁，成为潜艇最大的克星之一。在第二次世界大战中，随着战争的进行，各海军强国在声呐方面的研究投入了大量的人力物力，使声呐的质量有了明显的提高。为了提高潜艇的生存能力，二战中各国都想方设法制约对方声呐的探测，又产生了（水声）对抗。2、声纳系统主动声纳技术——是指声纳主动发射声波“照射”目标，而后接收水中目标反射的回波以测定目标的参数。大多数采用脉冲体制，也有采用连续波体制的。被动声纳技术是指声纳被动接收舰船等水中目标产生的辐射噪声和水声设备发射的信号，以测定目标的方位。由发射换能器把电信号变为声信号，在水下发射出去。当它照射到一个目标时，反射信号或称“回波”就被接收换能器收到，再变换为电信号送给接收机。被动声纳技术——是指声纳被动接收舰船等水中目标产生的辐射噪声和水声设备发射的信号，以测定目标的方位。主动声纳包括声波发射和接收装置。被动声纳只有声波接受装置。一台现代化的声纳还包括复杂的电子装置和计算机系统。

3、声纳的应用海洋环境参数的测量海底地形，地貌，底质勘探导航及其它应用由于电磁波在海水中衰减很快，所以海洋中探测、导航、定位和通信主要是用声波，声波是水中信息的主要载体。联合国大陆架界限委员会认为要用5种设备测量才能认可为划界提供的图件和资料，其中3种设备是声呐，它们都属于海洋声学技术的研究范畴。美国科技白皮书—海洋高技术中，海洋声学技术占有重要篇幅。每年召开的OCEANS会议中，海洋声学技术占有1/3以上的篇幅。随着海洋科学和开发的迅速发展，海洋声学技术已发展成为海洋高科技中的重要组成部分，已成为声学中的独立的分支学科。1）海洋环境参数测量（1）波浪测量（2）海流测量（3）海中声速测量（4）大洋测温1）海洋环境参数测量波浪测量波浪运动所产生的功率与浪高及其周期有关。

P≈0.55H2T

，单位为kW·m-1（千瓦·米-1），H为浪高（m），T为波浪周期。用波浪的能量可以发电。我们可以用定点浪高仪来测量波浪高度的变化规律，为开发潮汐能提供原始依据。定点浪高仪是一种简单的主动声呐，利用声波到达海面时的全反射来记录浪高。海流测量大洋环流的流速比较稳定。利用海流计可以测量海洋中的流速及流向，根据所测得的数据绘制大洋流速、流向图，是航海家不可缺少的资料。比较先进的海流计是利用多普勒效应进行测速的系统。它不仅可以测量大洋表面的海流还可以测量海流剖面。1）海洋环境参数测量海中声速测量声速是海水作为水媒质的一个重要参数。海洋中声速剖面图是海军舰只活动的必备资料。因为无论是攻击敌方还是保存自己，都必须利用声速剖面图来规划自己的航行细节和声呐使用技巧。常用声速测量仪是一种可以和PC联结的声学探头。当把探头由海面放下去之后，即可将经过的路径中的温度、盐度与深度数据采集记录下来。由PC中的专用软件换算出声速并提供声速剖面。大洋测温地球上的一些灾害性天气或环境变化都会引起大洋温度的微小变化。利用声波在大洋中长距离（几千公里）的传播可以把温度的微小变化测量出来。1991年开始，美国、加拿大等国已在实施这一计划。我国也从1995年开始参加。在夏威夷岛引爆小型炸弹，在世界各地接收声信号来推算大洋温度的变化。用声音探测海洋内部从南印度洋上的赫德岛海岸发出的低音被18,000多公里以外的地方探测到2）海底地形、地貌及地质勘探（1）回声测深仪（2）海底地形、地貌仪（3）近海油气田勘探2）海底地形、地貌及地质勘探回声测深回声测深仪是一种高频窄波束主动声呐。目前各大洋都已被广泛地进行测量，并绘制了海底等深线图。海底地形、地貌仪这是一种多波束主动声呐，用于绘制海底的地形、地貌。为海底电缆、输油管的敷设提供依据。近海油气田勘探声学数字地震勘探技术是近海油气田勘探的主要手段。世界上比较著名的英国北海油田就是用这种方法发现的。它主要利用一种拖曳式线列阵声呐，用人工在海下制造小地震的方法，记录局部海区的地貌，借以判断有无油气田。我国从北到南的近海地区正在开展这类勘探。水下考古科研人员将这些古建筑和其它水下可疑物体都标注了精确的经纬度坐标，今后潜水员将对水下目标进行逐个探摸。3）导航及其它应用海上船只的导航、巨轮的靠岸都需要不同类型的声纳；此外海难救助也要利用“声发”声道。随着人类向海洋进军的广度及深度的不断提高，水声学在海洋开发中的作用也会越来越大。二战中，被击沉的潜艇中有60%是利用声纳一类水声设备发现的；在民用航海中，水声技术可用于探测水深，判断暗礁；在渔业上，可以用于探鱼，用小型声纳浮标进行鱼群跟踪；在潜水员的水下活动中，采用水声通讯机在潜水员之间，或他们同船上、岸上的通讯。超声波探鱼器4、典型的声纳系统主动声纳被动声纳声纳重入系统水声遥测遥控水声通讯仪1）主动声纳

第一次世界大战以后的年代里，主动声呐和被动声呐都得到进一步的发展。英美以发展主动式声呐为主，使用了较高的频率，使之与本舰的噪声频段相差较远，能不受本舰噪声干扰，如朗之万的声呐频率是38kHZ，后继的声呐频率也大多在10～30kHZ，而且由于频率较高，可以形成很强的指向性。1）主动声纳一位上海海事局的工作人员正将声纳设备上的拖鱼放入长江中。扫描2）被动声纳建立亚太反潜链，美军用声纳监视亚太海洋

建立声纳反潜链，最初美军并不是主要针对中国，而是冷战期间为了对付苏联的潜艇威胁。当时美国联合日本、澳大利亚等国部署了一条上万公里的监视线，采用沿大陆架部署方式监视苏联核潜艇在西太平洋地区的活动。这条监视线沿白令海峡外的阿留申群岛南下千岛群岛，经过日本群岛延伸到琉球群岛末端。这条“反潜链”由海底固定的被动声纳、水面舰艇、反潜飞机等设备组成。冷战结束后，“反潜链”在苏联的解体后继续加强，特别是千岛群岛至琉球群岛一线的反潜力量比冷战期间大大增强，而这一监视区域正是我国北海舰队、东海舰队进出太平洋的门户。2）被动声纳美国在大西洋和太平洋沿岸水域装有"凯撒"和"巨人"两个海岸声纳监听系统，可以在离海岸1000公里的距离之内发现和跟踪潜艇。"壁垒"和"野马"声纳系统则能覆盖英国和冰岛之间的海峡。在亚速尔群岛安置的"阿法尔"声纳系统可以监视任何一艘通过直布罗陀海峡的潜艇。美国是最早建立被动监听网络的，太平洋整个都在他的监听范围内，声纳主要用于对水面舰艇、潜艇和其它水中设备进行搜索、识别、跟踪和水面通信等。声纳侦察也称水声侦察，是指使用被动式声纳进行的声学侦察。主要任务是：截收对方各种主动式水声设备及原发性声场的声信号，测定其技术参数及方位、距离，以掌握敌舰动态，或为进行水声干扰和舰艇使用武器提供可靠依据。一般潜艇上通常装有多种类型的声纳。如：噪声测向仪、回声定位仪、侦察仪、探雷器、水下敌我识别器、水下通信仪、声速测量仪、声线轨迹仪、测深仪、测冰仪等，构成了一个水声综合系统。德国是战败国，根据凡尔赛和约的规定，不得建潜艇，并只能有吨位小的军舰。他们集中发展被动声纳。3）动态定位和井口重入技术为了研究大洋底的成因，验证海底扩张理论，美国等国家在1968~1975年，进行了耗资巨大、技术难度很高的深海钻探计划。把钻探船停在4~5km的深海上，向下钻探，如果船移动，长达几千米的钻杆就会扭断，这需要动态定位系统。在水底放置一个水声应答器作为基点，同时在船上放置三个水听器进行应答测距。当外界条件使船位移时，水声应答器测距系统测出三个距离的变化，开动推进器使其复位。钻探时，风暴袭来或发生其他意外。只好起钻开航，但是井口还没有钻完，下次再来时如果不能使钻头送入原来的井口，就只好重新再钻。利用声纳重入系统可以找到井口。4）水声通讯技术2.3海流海流——海水以一定速度和方向大规模非周期运动。成因分类（1）风海流（2）密度流（3）补偿流墨西哥湾暖流

墨西哥湾不但汇聚了南北赤道暖流(南赤道暖流受信风带影响向西流，受到南美洲沿岸直角的轮廓并在南纬7°附近向东伸入的影响，分为南北两支，其北支成为墨西哥湾暖流的一部分)，而且还接纳了由信风不断输送的暖水，使墨西哥湾成为巨大的“热蓄水库”。由于墨西哥湾比附近的大西洋水位要高，因此从佛罗里达海峡流出(见图)。洋流宽度150千米，深度达800米，流速为130～150千米/每天，表面水温27℃～28℃，构成强大的佛罗里达洋流。佛罗里达洋流与东南来的暖流汇合后，称墨西哥湾暖流，简称湾流。巨大浩荡的湾流日夜不停地向北输送热水，它所经的地方水温和气温都大幅度升高。湾流宽约60千米，深800米，最大流速为100千米／每天。风海流风

在风的影响下，海洋表层的海水沿一定方向有规律的大规模流动。大气运动和近地面风带，是海洋水体运动的主要动力。盛行风吹拂海面，推动海水随风漂流，并且使上层海水带动下层海水流动，形成规模很大的洋流，这叫做风海流。密度流由密度差异影响而形成的洋流地中海大西洋各个海域因海水的温度、盐度不同，导致海水密度分布不均，引起海水的流动，这叫做密度流。补偿流60o盛行风由

影响而形成的洋流密度流

风海流由风力和密度差异所形成的洋流，使海水流出的海区海水减少，相邻海区的海水便会流来补充，这样形成的洋流叫做补偿流，有水平的也有垂直的。（秘鲁渔场）洋流的影响对气候的影响；对渔业的影响；对航海的影响；对污染的影响；对海平面的影响；大地水准面和海面地形与洋流有关2、海浪海浪——海浪是发生在海洋中的一种波动现象风浪涌浪近岸浪风浪指的是在风的直接作用下产生的水面波动。基本特征：风浪中同时出现许多高低长短不等的波，波面较陡，波峰附近有浪花或大片泡沫。此起彼伏，瞬息万变。波面粗糙，波峰线也短。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。其基本特征：具有较规则的外形，排列整齐，波面较平滑、波峰线长。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。基本特征：海水变浅，波动传播速度变小，致使波峰线弯折而渐渐地和等深线平行。这时，波速和波长随水深变浅而减小，同时由于波动在传播中遇到障碍会引起折射、绕射