第二章——海洋物理基础知识.ppt

1、Chapter 2:海水的物理和化学性质 Physical and Chemical Characters of Sea Water,赵建虎,本章内容,水的结构和特性 水温度和热性质 海水盐度 海水密度 海水状态方程 海洋光学 海洋声学 本章重点 参考文献,海水是一种溶解有多种无机盐、有机物质和气体及含有许多悬浮物质的混合液体，这使海水的一些理化特性与纯水的有很大差异。然而海水中无机盐等的含量约占3.5%，极大部分是纯水，因而海水的基本理化特性与纯水的有着密切关系,2.1 水的结构和特性,水的结构 水分子是由一个氧原子和两个氢原子组成的，即，两个氢原子并不对称排列在氧原子的两侧，而是以104.

2、5的键角排列在氧原子的一侧，这样氧原子和两个氢原子的正负电荷不能相互抵消，所以水分子是极性分子。分子极性使得相邻水分子之间形成氢键，进而缔合成较为复杂的水分子。这种缔合水分子并不改变水的化学性质，但使水具有了一些独特而有趣的物理性质。,纯水的特性 纯水的密度随温度变化表现出反常变化。纯水在大气压力下，温度4时密度最大，为1000 ；4 以上时，密度随温度升高而减小，4 以下时，密度却随温度降低而减小。水结冰时，体积增大，密度减小为916.7，故冰总浮在水面上。 水具有极强的溶解能力。海水正是水溶解了来自陆地和海底的许多物质后而形成的一种复杂溶液。而这些溶解物质又使海水具有一些不同于纯水的特性。

3、,与其它液体相比，水的热性质有许多异常。如与氧族元素的其它氢化物相比，水的熔点、沸点、比热、蒸发潜热和表面张力都异常的高。水的相对分子量最小，其理论上的熔点和沸点应分别为-90C和-80C。 纯水的这些特性均可由水独特的分子结构得以解释。,2.2 水温度和热性质,海水温度 海水温度是表示海水冷热程度的物理量，以摄氏度表示。其高低反映了海水分子热运动平均动能的大小。海水温度的变化取决于其热量平衡状况，影响海水热量平衡的因素主要有辐射、蒸发、海气间显热交换等过程。,海水温度的变化取决于其热量平衡状况，影响海水热量平衡的因素主要有辐射、蒸发、海气间显热交换等过程。 海水温度在不同水域、不同深度层均存

4、在着差异，这种差异主要由于： （1）季节性变化 （2）外界天气的变化 （3）地域的变化 （4）纬度的变化等引起的,海水热性质 热容 一物体温度升高（或降低）1 所吸收（或放出）的热量称为热容，单位为 。单位质量物体的热容称为比热容（简称比热），单位为 ；单位体积物体的热容称为容积热容，单位为 。 海水比热 指海水在一定压力下的比热，即定压比热（或定压比热容），它是海水温度、盐度、与压力的函数。大致规律为：一个大气压下，随盐度的增高而降低；低温、低盐时，随温度升高而减小，高温、高盐时则随温度升高而增大。通常在盐度S30、温度t10C时，总是温度升高而增大。,压缩性 海水体积随压力变化而改变，其负

5、的相对变化率称为海水压缩系数，有等温压缩系数和绝热压缩系数两种。等温压缩系数以 表示 随S、t和p的增大而减小。与其它液体相比，海水压缩系数是很小的，故海洋学中常将海水视为不可压缩。 绝热变化 海水微团绝热上升或下沉过程中，其温度随压力改变而变化。若一定深度处的海水现场温度为t，该处海水微团绝热上升至海面温度下降，则称为该水团在该深度处的位温。位温适用于研究深层水温分布，因为那里绝热变化效应较为明显。,2.3 海水盐度,海水盐度： 由于海水的电导与盐度具有对应关系，通过测定海水水样的电导和Cl，算出盐度，便可归纳出海水盐度与其电导的函数关系。海水绝对电导很小，通常采用水样在一定条件下相对于标准

6、海水电导的电导比，它被定义为“一个标准大气压下，15C时水样的电导率C（S，15，0）与同温同压下标准海水电导率C（35，15，0）之比值”，即,实用盐度公式：,式中，是在一个标准大气压下，15C时水样的电导率C（S，15，0）与同温同压下标准KCl溶液电导率C（32.4356，15，0）之比值，即,实用盐度公式适用范围为 。实用盐度不再使用符号，因而其值是旧盐度值的1000倍。显然，K15=1时，水样的实用盐度S精确为35。海水的绝对盐度（ SA）单位质量（Kg）海水中所有溶质的总质量，是无法直接测量的，它与实用盐度值略有差异。,海水密度也影响着海水中声速的传播。 密度(Kgm-3)、比容a

7、(mKg-1)，其关系为：a=1/ 。和a均是海水温度t、盐度S及压力p的函数，即=(S，t，p)、a=a(S，t，p)，分别称为现场密度和现场比容。,2.4 海水密度,Knudsen 参数,密度超量,海水状态方程是海水密度p或a与其状态参数S、t、p的函数关系式，据此可利用现场实测的S、t、p来计算海水的密度。,2.5 海水状态方程,一个大气压国际海水状态方程 表示在一个标准大气压（海压p=0）下，海水密度与实用盐度S和温度t之间的函数关系。,式中:,该方程适用范围是：,反射和折射： 太阳光线到达海面的总辐射能，一部分将被反射，另一部分则折射进入水中。当太阳高度增大时，反射率为减小，而折射率

8、为增大。此外，风浪也会影响海面对太阳光的反射率和折射率。,2.6 海洋光学,散射和吸收： 折射进入水中的太阳光线因水分子和各种悬浮粒子作用不断改变方向而产生散射，散射后光强度 取决于海面总辐射能，并随深度z按指数变化。大致规律：可见光中的短波吸收系数较小，长波吸收系数较大；大洋水吸收系数较小，沿岸海水长波吸收系数较大,光的衰减： 折射进入水中的太阳光线同时受到散射和吸收作用而形成衰减 ，衰减后光强度I取决于海面总辐射能，并随深度z按指数变化。 可见光中的短波衰减系数较小、长波衰减系数较大；大洋水衰减系数较小，沿岸海水长波衰减系数较大。,声波传播特征： 海水、海面和海底构成了一个复杂的声波传播空

9、间，声波通过这个空间时， 一方面要受到海水介质的吸收，海水中气泡、浮游生物和海水微团的散射，海面的反射与散射，及海底的反射与吸收等； 另一方面，声波传播时波阵面随传播距离的增加而扩展，因此，声强（能）将逐渐减弱。声波在海水中的传播特征：,2.7 海洋声学,声速及声速剖面 声波 是在弹性介质中传播的一种纵波。声波在水中传播平均速度为1500ms-1，在空气中传播平均速度330 ms-1；人耳能分辨的声波频率为20-20Hz,高于20Hz的声波为超声波、低于20 Hz的为次声波。 声速,声速在海水中变化的大致规律是： 温度t增加、盐度S增大、及压力p增大，则声波波速增大。 海水中声波波速的经验公式

10、：,其中,声速剖面 声速随深度变化的分布曲线c(z)称为声速垂直剖面 。其具体形状取决于海水的S、t和p等特定条件。 通常夏季浅海或大洋上层主要取决于水温t；冬季浅海或大洋深层主要取决于海水静压力p。具体而言，夏季浅海或大洋上层声速一般随深度增加而减小；冬季浅海或大洋深层声速一般随深度增加而加大。,实际中用声速梯度仪可直接获得声速垂直剖面曲线，由此可推算出声速垂直梯度。当声速垂直梯度值为正时，则称声速垂直剖面曲线为正梯度分布；反之，称为负梯度分布。前者表示声速随深度增加而增加，后者则表示声速随深度增加而减小。,海洋声学特性 海水、海面和海底构成了一个复杂的声波传播空间，声波通过这个空间时， 一

11、方面要受到海水介质的吸收，海水中气泡、浮游生物和海水微团的散射，海面的反射与散射，及海底的反射与吸收等。 另一方面，声波传播时波阵面随传播距离的增加而扩展，因此，声强（能）将逐渐减弱。,传播特性 通常声波在海洋中的传播方向和轨迹可用声线来描述，其理论依据是折射定律。根据折射定律水下声源发出的声线将逐渐向声速小的地方弯曲，碰到海面、海底或温跃层又被反射和散射。 因此，声速具有正梯度分布时，声线向上弯曲；声速具有负梯度分布时，声线向下弯曲；,波导和反波导传播 在特定水文条件下，若声波传播时声能损失较小、传播距离较远，此种传播称为波导传播；若声波传播时声能损失较大、传播距离较近，则称为反波导传播。波

12、导传播多见于冬季浅海，声速具有正梯度分布，声线向上弯曲，至海面时极大部分被反射，一段时间后再次向上弯曲，并又被海面反射。如此不断经海面反射和海水折射，形成波导传播。反波导传播则常见于夏季浅海，声速具有负梯度分布，声线向下弯曲，至海底时被反射，一段时间后再次向下弯曲，并又被海底反射。但是，由于海底对声波吸收较多，声波能量 减较快，从而形成反波导传播。,声道 海洋中使声波传播时声能限制于一定深度层范围内、从而使其超远距离传播的水层称为声道(图2.6)。声道是在声速垂直剖面具有声速最小值的特定情形下产生的。声速最小值对应的深度称为声道轴。根据折射定律，位于声道轴附近的声源所发出的声线，由于海水折射而被限制在声道轴附近的水层内传播，声能损失较小，形成波导型传播。声道分深海声道和浅海表层声道两种。深海声道多见于温带和热带大洋的深水区，上层声速主要取决于水温，深度增加水温降低，故声速减小；一定深度以下声速主要取决于压力，深度增加压力增大，故声速加大。从而声速垂