第4章-海水的性质-2013概要

声波在海水中传播速度比在空气中快。约为空 气中四至五倍，平均1450m/s。
海水的声学特性
声音在海水中的传播
海水介质的吸收；
海中气泡、浮游生物和海水悬 浮物质的散射； 波动海面的反射与散射； 海底沉积层的反射和吸收
传播速度（声速 或音速）快，
其传播速度受温 度、盐度、压力 的影响
传播过程中会反 射、散射、折射。
第四章 海水的性质
海水：是一种溶 解多种无机盐、 有机物质和气体 以及含有许多悬 浮物质的混合液 体。
与纯水相比，海水多了什么？
海水是一种非常 复杂的多组分溶 液
溶解气体
营养元素
主要成分
海水的化学组成
微量元素
指海水中浓度小 于10-6mg/kg的 成分
有机物质
来源有河流的 输入、大气沉 降、海底热泉 等等
图将声源放在声速极小值区内则声
波可以传到很远的地方，这个区域 称为声学信道或是SOFAR(SOund Fixing And Ranging)信道， 可替水下物体定位。
Sound Channel（声学通 道）：海洋水层中声速有 一极小值区，在此会形成 波导现象(Wave guide)， 声波在此层中传播时能量 不易发散，往往可传至数 千公里外。
海表盐度的分布取决 于淡水的注入量与蒸 发量的对比
全球盐度分布的差异 性，大西洋更高，太 平洋偏低
2）垂向上盐度变化
从海表到海底的层结结构：浅表层均匀，中上层盐度 显著变化，到一定水深后（海洋深层）盐度又近似均 匀分布。
高纬度地区和低纬度地区海水盐度在垂向水深上的变化有其 明显不同的特征。
图 水压的力量。照片上左右两侧原来是一模一样的两个保 丽龙杯，右侧的杯子只不过被放到海面下2642米深处然后再 取回，可见水压的力量有多大，海洋仪器往往需能承受更大 的压力。
三、海水的温度
表层海水的温度分 布及变化明显受海 洋中热量收支情况 的制约
海水的温度
海水的温度受什么影响控制？ 海水所吸收或释放的热量
不同水体间所存在的 密度差异会导致水体 下沉或上浮，引起水 团间的相互运动
密度随纬度的变化
海水密度是温度、盐度和压力的函数。在大洋上层，特别 是表层，主要取决于海水的温度和盐度分布情况。
温度低、盐度高的海水是世界大洋密度最大的水体 最大密度出现在寒冷的极地海区
密度垂向上变化
重点：密度跃层
垂向具有明显的跃层结构，但纬度差异明显：
高纬度海区，海水密度在垂向上的变化很小或没有变化，密度的垂向 变化曲线近似为一条直线。
温、盐、密——海水的圈层结构
盐跃层是海面下一定深度范围内盐度迅速变化的水层，而温跃层和 密度跃层是指温度和密度迅速变化的水层。密度的差异造成了海水 在垂向上的层化
温度：温度跃层（中低纬海域） 盐度：盐度跃层
密度：密度跃层（中低纬海域）
水温在垂向上有什么变化特征？
水温的铅直分布
中、低纬度海域水温 大体上随深度的增加 呈不均匀递减，上层 为混合层，水温较高， 混合均匀，中层为水 温迅速减少层——温 度跃层，水温梯度大， 最下层为深水层，水 温低，基本保持温度。
高纬度海域水体混合 均匀，温度跃层不明 显
重点：温度跃层
四海水的盐度
1、水的三态（相）变化
在什么情况下水在固、液、气三相之间变化？ 吸收热量、温度升高的过程
固态
液态
气态
热能： 是物体
的所有分子无 规则热运动的 动能与相互之 间势能的总和
温度：反映了 物体内部分子 运动平均动能 的大小
三态的变化实 际上是热量的 吸收和释放的 过程. 最根本的内在 变化是其分子 结构的改变
介质或介面：海 面、海底、不同 密度面、悬浮物 质
影响声音传播速度的因素
音速V是海水温度、盐度、深度的函数，随空间位置不同其值亦变
温度
盐度
压力
当温度变化1℃ 时，声速的变 化是5m/s 。
海水的温度在 0～17℃范围内 每升高1℃其相 应的声速度增 加4.21m/s。
海水中测量结 果表明，盐度 每增加1，声速 值增加
概念
•温度增加，密度会相应 减少（由于热膨胀的影 响）；
•盐度增加，密度则增加 （这是因为增加了更多 的溶解物质，质量增 加）；
•压力增加，密度也增加 （这是由于压力的对体 积的压缩效应）。
什么情况海水密度 最大？
什么温度下海水的 密度最大？
所谓海水状态方程 是描述海水状态的 参数温度、盐度、 压力与密度或比容 之间相互关系的数 学表达式。
特殊的热特性——气候（天气）调控器
可以储藏极大的热量。 水控制了地球热量的分布，进而控制了地球的气候变化。
一、海水的热特性
水分子的结构特殊
水分子是高度极性分子——极性键、水分子结构不 对称
——水分子之间又可因极性相互吸引，并通过氢键 相互连接在一起。
水分子的结构导致水的特性极为特殊
水的溶解能力强 水的密度随温度变化 水的热性质特殊
温度对声音在大洋中的传播影响最大
声音从海面向海底传播 ——声速铅直剖面
温度（密度）从海面向下减小 压力从海面向下增加
盐度从海面向下增加或减小
声速先随温度减小而 变得缓慢，随后随压 力增加而增加，海面 以下某个位置出现一
个声速极小值
声速最小层位置 在大西洋约1200~1300m， 太平洋则只有900~1000m左右， 某些热带海域可深达2000m， 而温带海域则在200~500m， 在两极海域，因水温随水深的 变化不大，声速最小层位于海 面附近。
比纯水略大
二 海水的压力
海水的静压力主要是由水柱的重量产生，由静 力平衡方程式知
Pz
z
0
gdz
海洋学中压力(P)多用分巴为单位（1 db= 0.1 bar = 105 dyn/cm2） 一个大气压（atm）=1.01325×105帕= 1.01325×106 dyn/cm2)
一米海水柱所产生的海水压力近似于一分巴， 而一个大气压相当于承受十米水柱的重量， 所以海面下大约每隔十米压力增加一巴或是一大气压。
海水所吸收的热量 主要来自太阳辐射 能
地球热收支即为:约四 分之一的太阳辐射散 射,约有五分之一被大 气层吸收。5%被地 表反射，而只有总入 射量的45%被地表 （海水）吸收。
地表所吸收的太阳辐射能随纬度变化 的原因
同样大小的太阳能照射下， 单位面积上低纬度的辐射强 度要大于高纬度。
同样大小的一束太阳能穿越 高纬度的大气圈所损耗的太 阳能比低纬度多；也即是说， 高纬度直达地面的太阳能的 总量已经小于低纬度。
分子运动愈快,物体愈热，温度愈高;分子运动愈慢,物体愈冷,即温度愈低
物质的状态（固、液、气三相）改变——其最 根本的内在变化是其分子结构的改变——物质 分子之间的附结程度发生改变。
海水的热特性
水的温度上升一度所吸收的总的热量即为热容
单位质量的海水温度上升一度所吸收的热量即为比热容
水分子结构 水的热容最高，使得水（球）的温度的变化缓慢
全球水量平衡
结冰或溶冰
降水与蒸发； 河流（地表径 流）、地下水
整个大洋平均盐度为35（‰）
定义
盐度﹕将海水中 一切碳化物（碳 酸盐）、溴及碘 化物等均代换为 氯化物，同时将 所有有机物完全 氧化，则一公斤 海水中所含有的 固体物质总克数 即为盐度。
测量方法
影响海水盐度的过程
干燥法（最不 准）、化学滴定 法以及间接法 硝酸银滴定法求 出氯度（即每公 斤海水中氯离子 （包括碘与溴） 克数），盐度
低纬度地区, 表层盐度相对较高, 从水面往下，随着水层深度的 增加，盐度减小，到一定深度后水层盐度趋向于一个中间值.
而在高纬度地区，海表层盐度较低，水面以下，盐度有所增加， 与高纬度地区相同深度处的盐度也趋向于同样大小的中间值。
盐度层结的原因是影响海水盐度的各类 过程如降水、径流等都发生在海洋表层， 而对水面以下的深水部分影响很小。
水的重要作用
独特的化学性质
水具有溶解绝大部分物质的能力 水的化学性质是维持生命的根本所在。
实际上，所有生命体的主要部分都是水。例如，其重量占生命体总重 量，在65%（人类）至95%（大部分植物）间变化。水是促进人体内 各种化学反应的理想媒介。我们的血液（输送营养物质到全身并排出 我们身体的垃圾）中85%的是水。
海水的层结：温 度高、密度低的 海水盘踞表层， 温度低、密度高 的海水位于海洋
下层
海水中密度跃层一旦建立起来，就会阻止跃层上层的低密度海 水与下层的高密度海水进行混合
六 海水的声学特性
声波（听到的声音）、光波（看到的）和电磁 波（如收音机和电视机接收的）等都可在海水 中传播，但唯有声波衰减较小，所以水声技术 被广泛应用于海洋研究、海洋开发和军事活动 中。
五海水的密度
单位体积海水的质量定义为海水的密度，用符号 来表示，单位是千克每立方米
（ k g / m 3 ）或克每立方厘米 g / cm 3 。海水密度是海水盐度、温度以及压力三者的函数。密
度随盐度增加、温度减少、压力增加而增，反之则减，即 S,T -1, P 。
海水的密度比纯水的密度大 2~3%，开阔大洋中的海水 密度为1.022~1.030g/cm3。
低纬度地区，
表层密度相对较低，这是因为低纬度地区海表温度高； 海表以下直到水深300m处，密度无变化或变化很小（这是因为海水表层及
一定深度受海流、波浪、潮汐等动力的混合作用，使上层密度及盐度等混 合良好，温度和密度在垂向上变化很小，故又称该层海水为混合层）； 而在海面下300~1000m处，海水密度迅速增加（低纬度海区海面下密度 发生显著变化的水层称为密度跃层）； 而在水深1000m以下，海水密度又维持一定的值不变，直到海底。
温度、盐度、压 力的函数
热容
潜热
纯水：0度 海水更低
1kg海水气化为
冰点（溶解点）水的热特性
同温度的蒸汽所 需要的热量，称
为海水的比蒸发
潜热，单位为
其它：
“焦/千克”。
热膨胀、热传导等比蒸发潜热在所
沸点/压缩点
有已知物质中最 热膨胀系数会随 大
纯水： 100度 温度与压力、盐
海பைடு நூலகம்更高
度的升高而增大，
WHY？取决于 降水量和蒸发量 之比 等等
海水盐度的垂直分布
（从海表到海底的变 化特征）——
盐度跃层：盐度在垂向上
有一个明显的突变，这个突变 位置大约在水面下300m到 1000m之间，而通俗上将这个 盐度迅速变化的水深层（水面 以下300m~1000m）称为盐跃 层
以南北回归线为最高， 随纬度增高（向极地） 和减少（向赤道）， 表层盐度减少。
=0.03+1.80655 ×氯度
降水、地表径流（河 流）、冰川融化、蒸 发、结冰
所有这些过程发生在 海表层，影响表层盐 度
改变海水中溶解物 质的总量或者海水 的总量。
海水盐度的变化
南北回归线附近表层盐度最大， 高低纬度地区盐度最小
海水盐度的空间变化
时空变化是永恒的主题
表层海水盐度的 平面空间分布— —纬度变化
(a)声速随深度变化的情形，注意在750m左右声速为最慢， (b)左图所对应的海水温、盐度垂直剖面分布。
海洋声音传播中有意思的现象
声速 最小层
声音的 波导传播
水下 声学通道
声速为正梯度 时水下声源发 出的声线向海 面弯曲；声速 为负梯度时声 线向海底方向 弯曲。
声线没有经过海底 而弯向海面反射回 来，在此情况下不 存在海底吸收和散 射，这种声线传播 路径称为海洋中声 的波导传播。
极地地区的太阳辐 射能强度年内变化 非常显著。
赤道地区水温季节变化约0~2℃，中纬度地区约为5-8℃，极地地区约为2-4℃。
海水的温度
地球表面（包括海水）所吸收的热量有什么变化特征？
热量
热量低纬高 高纬低
热量夏季高 冬季低
纬度变化 季节变化 日变化
水温
海水的温度
纬度变化 季节变化
日变化
WHY？？
高纬度反射回去的量比低纬 度大，被海面直接吸收的较 小。
综上所述，高纬度地区海面 最后能直接吸收的太阳能远 小于赤道地区。
太阳辐射能与水温的季节变化
南北纬40到60度的 区域，地表太阳辐 射强度的年内变化 极为明显，这是因 为太阳光线到达该 纬度的角度随季节 变化极为明显。
赤道地区的太阳辐 射强度全年基本不 变；
1.14m/s
当深度变化 100m时，声 速约增加 3.19m/s，海 水中实测当深 度变化100m 时，声速约增 加1.75m/s
温度对声音在大洋中的传播影响最大
经验公式可得，当海水深度变化245m时，其声速变化值相当于温度变化1℃或盐度变化4
表 声波在不同温度、盐度海水中的传播速度
注：适用深度约10～20m。