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1、回顾回顾海洋学发展史（地理大发现，重要人物）海洋学发展史（地理大发现，重要人物）海洋地貌和构造理论海洋地貌和构造理论宇宙形成和海水来源宇宙形成和海水来源 （阴离子，阳离子）（阴离子，阳离子）海底地形海底地形 （大洋中脊，平原，山丘，海沟）（大洋中脊，平原，山丘，海沟）洋与海洋与海 （各大洋特点和浅海）（各大洋特点和浅海）大陆漂移大陆漂移 （魏格纳，灵感来源？证据？）（魏格纳，灵感来源？证据？）海底扩张海底扩张 （条件？）（条件？）板块构造板块构造 （和前两种假说的区别？）（和前两种假说的区别？）12东非大裂谷狭长的红海扩张的大西洋广袤的太平洋被包围的地中海喜马拉雅山1.2.3.4.5.6.Wi
2、lsonWilson回旋假说：海洋发育和死回旋假说：海洋发育和死亡的六个完整过程亡的六个完整过程第三次作业（格式 学号.txt）：31.1.说明全球海陆分布特点说明全球海陆分布特点、海、海洋的划分洋的划分、四大洋特点、四大洋特点。2.2.什么是海岸带？说明其组成部分是如何界定的。什么是海岸带？说明其组成部分是如何界定的。3.3.海底地形海底地形有哪些主要特点？有哪些主要特点？4.4.大陆漂移、海底扩张与板块构造的内在联系与主要区别。大陆漂移、海底扩张与板块构造的内在联系与主要区别。5.5.说明各说明各种种沉积作用的控制因素及沉积特点。沉积作用的控制因素及沉积特点。截止日：截止日：周五上课前交周
3、五上课前交评分要求：用自己的语言组织句子，要求简洁朴实，抓住重点评分要求：用自己的语言组织句子，要求简洁朴实，抓住重点4 在了解洋与海（地貌）之后，我们（老水手）进一步了解海水的运动在了解洋与海（地貌）之后，我们（老水手）进一步了解海水的运动海水怎么运动，海水怎么运动，怎么影响生物，怎么影响生物，怎么影响化学物质怎么影响化学物质物理运动是基础，要了解物理运动，先了解物理运动是基础，要了解物理运动，先了解水的性质，特别是海水水的性质，特别是海水WHYWHY第三章第三章 海水的特性及其表征海水的特性及其表征3.1 海水的物理特性3.2 海水的热量与水量平衡3.3 海洋温度、盐度和密度的分布3.4
4、海洋水团3.5 海洋湍流混合与细微结构 思考题?5海水的物理特性海水的物理特性6 海水及其海水及其盐度盐度 海水的热性质海水的热性质 海水的力学性质海水的力学性质 海水密度海水密度7l 海水海水是一种溶解有多种无机盐、有机物质和气体是一种溶解有多种无机盐、有机物质和气体以及含有许多悬浮物质的混合液体，迄今已测定以及含有许多悬浮物质的混合液体，迄今已测定海水中含有海水中含有80 80 余种元素。余种元素。l 海水：混合溶液海水：混合溶液=淡水淡水+无机盐无机盐+有机物有机物+悬浮质悬浮质+l 海水中的海水中的含盐量含盐量是海水浓度的标志，海洋中的许是海水浓度的标志，海洋中的许多现象和过程都与其分
5、布和变化息息相关。但要多现象和过程都与其分布和变化息息相关。但要精确地测定海水中的绝对盐量是一件十分困难的精确地测定海水中的绝对盐量是一件十分困难的事情。长期以来人们对此进行了广泛的研究和讨事情。长期以来人们对此进行了广泛的研究和讨论，引进了论，引进了“盐度盐度”以近似地表示海水的含盐量。以近似地表示海水的含盐量。海水及其盐度海水及其盐度水的特殊性质水的特殊性质8同是氧族的氢化物，但水同是氧族的氢化物，但水(H2O)与与H2S、H2Se 和和H2Te 相比，水的熔点、沸点、比热、蒸发潜热相比，水的熔点、沸点、比热、蒸发潜热和表面张力值等都比氧的同族化合物高和表面张力值等都比氧的同族化合物高。水
6、的相对分子质量最小，水的相对分子质量最小，其理论上的熔点和沸点应其理论上的熔点和沸点应分别为分别为-90和和-80左左右右(图图3-3)，而实际上却分，而实际上却分别为别为0和和100 9 水分子的结构水是由氧原子和氢 原子通过共价键结 合在一起的产物。水分子的极性：极性：氢 原子一端微显正电，氧原子一端微显负电。氢键氢键：极性使水分子 之间相互吸引，键合 在一起。10水的形态及其转化水的形态及其转化水分子聚合体水分子聚合体 单水分子单水分子 双水分子双水分子 三水分子三水分子 111213水的热学性质水的热学性质14水是热容量最大的物质之一水是热容量最大的物质之一水蒸发为水汽、或冰融化为水吸
7、收的热量与水汽水蒸发为水汽、或冰融化为水吸收的热量与水汽凝结成水或水冻结成冰释放的热量相等；这种吸凝结成水或水冻结成冰释放的热量相等；这种吸收或释放的热量即为水的潜热收或释放的热量即为水的潜热水的潜热大的原因：因为热量不仅用于克服分子水的潜热大的原因：因为热量不仅用于克服分子力，还要用于双水分子和三水分子力，还要用于双水分子和三水分子聚合体聚合体的分解的分解上上水的热容量与潜热大的特性对于地球上热量的时水的热容量与潜热大的特性对于地球上热量的时空分布具有重要的调节作用。空分布具有重要的调节作用。1516盐度定义盐度定义为什么要定义盐度？海水和普通水的区别定义：海水中溶解物质的质量与海水质量的比
8、值绝对盐度 35 每千克海水中溶解35克物质利用盐度来衡量海水中溶解物质的多少，一种对事物性质的量度和描述，通过它来建立和其他事物性质的联系例如：盐度越大 海水中物质越多 密度？结冰时物质是否被排出冰体？对沸点、冰点的影响？海水组成恒定性原理：Marcet原理或Dittwar定律无论海水所溶解的盐类的浓度大小如何，其中常量离子间比值总是恒定的。171819高中化学最常用的酸高中化学最常用的酸盐酸、硫酸盐酸、硫酸ClCl，SO4SO4盐盐NaNaCaCaMgMg补钙又补镁，补钙又补镁，补钙别忘补镁补钙别忘补镁20盐度盐度(1902)(1902)：1kg1kg海水中将海水中将(Br(Br-,I,I
9、-)以氯置换，碳酸盐分解为氧化物以氯置换，碳酸盐分解为氧化物,有机物全有机物全部氧化部氧化,所余固体物质的总克数。所余固体物质的总克数。(480(480度加热度加热4848小时）小时）利用利用 海水组成恒定性海水组成恒定性，测定出其中某一主要成分的含量，便可，测定出其中某一主要成分的含量，便可推算出海水盐度。推算出海水盐度。氯度氯度:1kg1kg海水中将海水中将(Br(Br-,I,I-)以氯代替，所含氯的总克数以氯代替，所含氯的总克数.AgNO.AgNO3 3转换为盐度的关系式为：转换为盐度的关系式为：S S=0.030+1.8050Cl=0.030+1.8050Cl电导盐度电导盐度(1969
10、)(1969)21实用盐度22l 1982年联合国教科文组织定义年联合国教科文组织定义实用盐度实用盐度：l“水温水温15、1个大气压状态下，与个大气压状态下，与1kg水中含有水中含有氯化钾氯化钾32.4356g 的溶液具有相同电传导率的海水盐度作为的溶液具有相同电传导率的海水盐度作为35，其，其他盐度依据水温他盐度依据水温15、1个大气压状态下与氯化钾溶液的电个大气压状态下与氯化钾溶液的电传导率之比传导率之比(k)由下式求出。由下式求出。”l S=-0.080-0.1692k1/2+25.3851k+14.0941k3/2-7.0261k2+2.7081k5/2l 无单位、或用无单位、或用ps
11、u(practical salinity unit)表示之。表示之。23l 热容热容：海水温度升高海水温度升高1K(1K(或或1)1)时所吸收的热量，单位是时所吸收的热量，单位是J/KJ/K或或J/J/；l 比热容比热容：单位质量海水的热容，单位为单位质量海水的热容，单位为JkgJkg-1-1-1-1。l 定压比热容定压比热容：一定压力下的比热容，记一定压力下的比热容，记CpCp；l 定容比热容定容比热容：一定体积下的比热容，记一定体积下的比热容，记CvCv。l 海水比热容约为海水比热容约为3.89103.89103 3JkgJkg-1-1-1-1，其密度为，其密度为1025kgm1025kg
12、m-3-3；空气比热容为；空气比热容为1101103 3JkgJkg-1-1-1-1，密度为，密度为1.29kgm1.29kgm-3-3。即即1m1m3 3 海水降低海水降低11放出的热量可使放出的热量可使3100m3100m3 3空气升高空气升高11。地球表面积近地球表面积近7171为海水，故海洋对气候的影响不可忽视。也正因为此，海水温为海水，故海洋对气候的影响不可忽视。也正因为此，海水温度变化缓慢，而大气温度变化相对激烈。度变化缓慢，而大气温度变化相对激烈。海水的热性质海水的热性质绝热变化24l 海水的压缩性导致其微团在铅直位移时，深度变化海水的压缩性导致其微团在铅直位移时，深度变化压力变
13、化压力变化V变化。绝热下沉时，变化。绝热下沉时，P增大增大V缩小，外缩小，外力对海水微团作功力对海水微团作功内能增加内能增加T升高；反之，绝热升高；反之，绝热上升时，上升时，V膨胀膨胀消耗内能消耗内能T降低。上述过程中海水降低。上述过程中海水微团内的温度变化称为微团内的温度变化称为绝热变化绝热变化，海水绝热变化随压，海水绝热变化随压力的变化率称为力的变化率称为绝热温度梯度绝热温度梯度，以，以G G表示。表示。l 海洋中的现场海洋中的现场P与水深有关，故与水深有关，故G G单位用单位用K/m或或/m表表示，也是示，也是T、S和和P的函数，可通过海水状态方程和比的函数，可通过海水状态方程和比热容计
14、算或直接测量而得到。热容计算或直接测量而得到。l生活例子：生活例子：同学们在自行车打气的时候，有没有同学们在自行车打气的时候，有没有感觉到气筒发热感觉到气筒发热位温(重要概念)25l 某深度某深度(压力为压力为P)P)的海水微团，绝热上升到海面的海水微团，绝热上升到海面(压力压力为大气压为大气压P P0 0)时所具有的温度称为该深度海水的时所具有的温度称为该深度海水的位温位温，记，记为为Q Q。海水微团此时的相应密度称为。海水微团此时的相应密度称为位密位密，记为，记为r rQ Q。l 海水的位温显然比其现场海水的位温显然比其现场T T低，若因绝热上升到海面微低，若因绝热上升到海面微团水温降低了
15、团水温降低了DTDT，则该深度海水的位温，则该深度海水的位温Q=T-DTQ=T-DT。l 分析大洋底层水分布与运动时，各处水温差别甚小，分析大洋底层水分布与运动时，各处水温差别甚小，但绝热变化效应往往明显，故用位温分析比用现场温度但绝热变化效应往往明显，故用位温分析比用现场温度更能说明问题。更能说明问题。2627l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，记记L，单位，单位J/kg或或J/g。其量值受。其量值受S影响很小，可只考虑影响很小，可只考虑T影响。影响。l 液体物质中，液体物质中，(海海)水的蒸发潜热最大，故水的蒸发潜热
16、最大，故蒸发蒸发不但使海洋失去水不但使海洋失去水分，也失去分，也失去巨额热量巨额热量，并由水汽携带输向大气，这对海面热平衡，并由水汽携带输向大气，这对海面热平衡和海上大气状况影响很大。和海上大气状况影响很大。l 例如热带海洋上的热带气旋，其生成、维持和不断增强的机制之例如热带海洋上的热带气旋，其生成、维持和不断增强的机制之一，是一，是“暖心暖心”的生成和维持。的生成和维持。“暖心暖心”最重要的热源之一，是最重要的热源之一，是海水蒸发时水汽携带的巨额热量海水蒸发时水汽携带的巨额热量，进入大气后凝结而释放出来的。，进入大气后凝结而释放出来的。l 海洋蒸发每年失去约海洋蒸发每年失去约126cm 厚的
17、海水，使气温发生剧烈变化，但厚的海水，使气温发生剧烈变化，但因海水热容很大，因海水热容很大，从海面至从海面至3m 深的薄薄一层海水的热容就相当深的薄薄一层海水的热容就相当于地球上大气的总热容于地球上大气的总热容，故水温变化比大气缓慢得多。，故水温变化比大气缓慢得多。比蒸发潜热海水的热性质28l 饱和水汽压饱和水汽压指水分子由水面逃出和同时回到水中的过程达到动态指水分子由水面逃出和同时回到水中的过程达到动态平衡时，水面上水汽所具有的压力。平衡时，水面上水汽所具有的压力。l 蒸发现象蒸发现象的实质就是水分子由水面逃逸而出的过程。的实质就是水分子由水面逃逸而出的过程。饱和水汽压海水的热性质3.1 海
18、水的物理特性29l热传导：热传导：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，会使热量由高温处向低温处转移。高温处向低温处转移。l热流率：热流率：单位时间内通过某一截面的热量，单位单位时间内通过某一截面的热量，单位W W。l热流率密度：热流率密度：单位面积的热流率，单位单位面积的热流率，单位WmWm-2-2。其量值大小与海水本身的热传。其量值大小与海水本身的热传导性能密切相关，也与传热面垂直温度梯度有关，即导性能密切相关，也与传热面垂直温度梯度有关，即Q=-lQ=-l(T/T/n)n)，n n为热传导为热传导面法线方向，面法线方
19、向，l l为热传导系数，单位记为热传导系数，单位记WmWm-1-1-1-1。l分子热传导：分子热传导：仅由分子随机运动引起的热传导，热传导系数仅由分子随机运动引起的热传导，热传导系数l lT T为为1010-1-1量级。量级。l涡动热传导（或湍流热传导）：涡动热传导（或湍流热传导）：由海水块体随机运动所引起的热传导，热传导由海水块体随机运动所引起的热传导，热传导系数系数l lA A与海水运动状况有关，故不同季节、不同海域的与海水运动状况有关，故不同季节、不同海域的l lA A差别较大，量级为差别较大，量级为10102 210103 3。l 因此，因此，涡动热传导在海洋热量传输过程中起主要作用涡
20、动热传导在海洋热量传输过程中起主要作用，而分子热传导占次要地，而分子热传导占次要地位。但在位。但在“双扩散双扩散”对流时，分子热传导作用不可忽视。对流时，分子热传导作用不可忽视。热传导热传导海水的热性质海水的热性质3.1 海水的物理特性30l 海水密度：单位体积海水的质量，以r表示，单位kgm-3。其倒数称为海水比容，即单位质量海水的体积，用a表示，单位m3kg-1。l 海水密度是盐度、温度和压力的函数，常书写成r(S,T,P)形式。l 海水密度一般有67位有效数字，前两位通常相同。为方便，曾用Knudsen参量s表示海水密度，即s=(r-1)103。l 海面(P=0)的海水密度仅为盐度和温度
21、的函数，记为st=r(S,T,0)-1103，称为条件密度。T=0时，记为s0=r(S,0,0)-1103，它仅是盐度的函数。定义及表示l 由于密度单位采用千克每立方米，故提出另一参量，称为密度超量(g)，定义为g=r-1000kgm-3，它与密度具有同样的单位，而与s的量值相等，因此也保持了海洋资料使用的连续性。海水密度3.1 海水的物理特性31l 海洋学中不常用现场比容a(S,T,P)，而常用d(S,T,P)=a(S,T,P)-a(35,0,P)的差值，d称为比容偏差。l 海洋学中还常使用热比容偏差(热盐比容偏差)，记作D(S,T)=a(S,T,0)-a(35,0,0)。l 浅海或1000
22、m 以浅的海洋上层，海水密度或比容主要取决于海水的温度和盐度，故常用D(S,T)作为描述海洋上层密度特征的一种参数。比容偏差和热比容偏差海水密度3.1 海水的物理特性32l 表层海水r可直接测量，但深层海水的r至今无法直测。然而海水r在大尺度空间上微小变化所产生的影响却是异乎寻常的，故许多研究试图通过T、S和P，间接而精确地计算海水的现场r。l 海水状态方程是海水状态参数T、S、P与r或a之间相互关系的数学表达式，有多个形式。海水状态方程海水密度3.1 海水的物理特性33l“一个大气压国际海水状态方程(EOS80)”：在一个标准大气压(海面为0)下，海水密度r(S,T,0)与实用盐度S和温度T
23、()的关系为r(S,T,0)=rw+AS+BS3/2+CS2 海水状态方程海水密度3.1 海水的物理特性上式中 A=8.2449310-1-4.089910-3T+7.643810-5T2 -8.246710-7T3+5.387510-9T4 B=-5.7246610-3+1.022710-4T-1.654610-6T2 C=4.831410-4 纯水项 rw=999.842594+6.79395210-2T-9.09529010-3T2 +1.00168510-4T3-1.12008310-6T4+6.53633210-9T5 适用范围：T=-240，S=042。34式中 K(S,T,0)=
24、KW+(54.6746-0.603459T+1.0998710-2T2 -6.167010-5T3)S+(7.99410-2+1.648310-2T -5.300910-4T2)S3/2 A=AW+(2.283810-3-1.098110-5T-1.607810-6T2)S +1.9107510-4S3/2 B=BW+(-9.934810-7+2.081610-8T+9.169710-10T2)S 海水状态方程海水密度3.1 海水的物理特性l“高压国际海水状态方程”：高压下海水密度r(S,T,P)与实用盐度S和温度T()和海压(Pa)的关系式为r(S,T,P)=r(S,T,0)/1-(nP)/
25、K(S,T,P)K(S,T,P)为割线体积模量，K(S,T,P)=K(S,T,0)+A(nP)+B(nP)2割线体积模量中的纯水项KW=19652.21+148.4206T-2.327105T2+1.36047710-2T3-5.15528810-5T4 AW=3.239908+1.4371310-3T+1.1609210-4T2-5.7790510-7T3 BW=8.5093510-5-6.1229310-6T+5.278710-8T2 适用范围：T=-240，S=042，海压0108Pa，压力匹配因数n=10-5。35The complex relationship between tem
26、perature,salinity,and density of seawater.Water Temperature,Salinity,and DensityWater Temperature,Salinity,and Density36盐度对冰点及最大密度温度的影响盐度对冰点及最大密度温度的影响随盐度的增加而降低，且前者比后者降的慢，当盐度随盐度的增加而降低，且前者比后者降的慢，当盐度为为24.69524.695时二者均是时二者均是-1.33-1.33度。度。淡水结冰：表层开始结冰。淡水结冰：表层开始结冰。海水结冰：大于海水结冰：大于24.69524.695时结冰前一直对流混合，然后时结冰
27、前一直对流混合，然后混合层都达冰点时一起结冰。混合层都达冰点时一起结冰。结冰条件：冰点温度，结晶核结冰条件：冰点温度，结晶核3738l 相邻两层海水作相对运动时，由于水分子的不规则运动或海水相邻两层海水作相对运动时，由于水分子的不规则运动或海水块体的随机运动块体的随机运动(湍流湍流)，在两层海水间便有动量传递，从而产生，在两层海水间便有动量传递，从而产生切应力切应力。l 摩擦摩擦(切切)应力的大小与两海水间的速度梯度成比例。界面上单应力的大小与两海水间的速度梯度成比例。界面上单位面积的应力为位面积的应力为t=t=m m*u/u/n n，式中，式中n n 为海水界面法线方向，为海水界面法线方向，
28、u u为流为流速，速，m m称为称为动力动力(学学)粘滞系数粘滞系数(粘度粘度)，单位记，单位记PasPas；m/rm/r称为称为运动运动(学学)粘滞系数粘滞系数，单位记，单位记m m2 2ss-1-1。m m随盐度增大略有增大，但随温度随盐度增大略有增大，但随温度升高却迅速减小。升高却迅速减小。l 单纯由分子运动引起的单纯由分子运动引起的m m的量级很小。在讨论大尺度湍流状态下的量级很小。在讨论大尺度湍流状态下的海水运动时，其粘滞性可以忽略不计。但在描述海面、海底边的海水运动时，其粘滞性可以忽略不计。但在描述海面、海底边界层的物理过程，以及研究很小尺度空间的动量转换时，分子粘界层的物理过程，
29、以及研究很小尺度空间的动量转换时，分子粘滞应力起着重要作用。滞应力起着重要作用。分子粘滞系数分子粘滞系数只取决于海水性质，而只取决于海水性质，而涡动涡动粘滞系数粘滞系数则与海水运动状态有关。则与海水运动状态有关。海水的粘滞性海水的力学性质3.1 海水的物理特性39l 若在海水与淡水之间放置一个半渗透膜，水分子可以透过，但若在海水与淡水之间放置一个半渗透膜，水分子可以透过，但盐分子不能透过，则淡水侧的水慢慢渗向海水侧，使之压力增大，盐分子不能透过，则淡水侧的水慢慢渗向海水侧，使之压力增大，直至达到平衡状态，此时膜两边的压力差称为直至达到平衡状态，此时膜两边的压力差称为渗透压渗透压。l 渗透压随海
30、水盐度增高而增大；低盐时随温度变化不大，高盐渗透压随海水盐度增高而增大；低盐时随温度变化不大，高盐时随温度升高而增幅较大。时随温度升高而增幅较大。l 海水渗透压对海洋生物有很大影响海水渗透压对海洋生物有很大影响，因为海洋生物的细胞壁就，因为海洋生物的细胞壁就是一种半渗透膜，不同海洋生物的细胞壁性质有别，所以对盐度是一种半渗透膜，不同海洋生物的细胞壁性质有别，所以对盐度的适应范围不同，这是海洋生物学家们所关注的问题。的适应范围不同，这是海洋生物学家们所关注的问题。l 海水与淡水之间的渗透压，依理论计算可达水位差约海水与淡水之间的渗透压，依理论计算可达水位差约250m 250m 的的压力。压力。海水的渗透压海水的力学性质3.1 海水的物理特性40l 在液体自由表面上，由于分子之间的吸引力所在液体自由表面上，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，这就是形成的合力，使自由表面趋向最小，这就是表面表面张力张力。l 海水的表面张力随温度增高而减小，随盐度增海水的表面张力随温度增高而减小，随盐度增大而增大。海水中杂质增多也会使表面张力减小。大而增大。海水中杂质增多也会使表面张力减小。l 表面张力对表面张力对水面毛细波水面毛细波的形成起着重要作用。的形成起着重要作用。海水的表面张力海水的力学性质3.1 海水的物理特性