第三章 海水的物理性质

• 蒸发潜热随温度增大而减小
温度越高越容易蒸发吗？
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海水的饱和水汽压
• 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 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。 • 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Biblioteka Baidu少，限制了海水蒸发，使饱和 水汽压降低
盐度越大越容易结冰吗？
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海水的压缩性
• 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1Pa时，其体 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 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 • 声波探测是反潜的关键技术
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海水的绝热变化
SO42Mg2+ Ca2+ K+ HCO3BrSr2+ B3+ F-
2.710
1.290 0.410 0.390 0.140 0.067 0.008 0.004 0.001
7.72
3.68 1.17 1.10 0.40 0.19 0.02 0.01 0.01
合计
total
99.99
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海水中的溶质
• 营养盐：对植物生长至关重要，主要包括氮（N）、磷（P）和硅（Si） 的化合物 • 三者在海水中的含量分别为0.5ppm、0.07ppm和3ppm。 （ppm = 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 量 • 植物不能直接吸收N和P元素，而是吸收可溶解的PO43-和NO3-。
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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 减小
海水的比热容比空气的比热容大 海水比热：3890J/kg.K，海水密度：1025kg/m3， 空气比热：1000J/kg.K；空气密度：1.29kg/m3。

• 海水和大气的比热容相差不大，而热容量相差巨大 • 1m3海水降低1ºC放出的热量可使3100m3的空气升高1ºC • 海洋是大气的天然空调器！
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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 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 时海水收缩 • 最大海水密度所对应的温度为 t (max) 3.95 2.0 10 1 S 1.1 10 3 S 2 0.2 10 4 S 3 • 盐度越大，密度最大值对应的温度越低
大气
波浪 降雨
海洋
海洋
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存储 式
直读式
海水盐度的测定
• 利用海水的电导性之城盐度计 测量盐度 • 实际应用中，将测量温度、盐 度和深度的传感器集成一体， 称为CTD温盐深测量仪，分为 存储式和直读式两种 • 利用CTD测量得到的电导率是 任意盐度、温度和压力情况下 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 参数。
R15
• •
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 会变化
实用盐度标度
• 为使盐度的测定脱离对氯度测定的依赖，JPOTS于1978 年提出实用盐度标度，1982年1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 钾（KCI）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 • 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35.000‰的参考点。配制精确 浓度（32.4356‰）的氯化钾溶液，它在1个标准大气压 、150C下，与国际标准海水的电导率相等
第三讲 海水的物理性质
• 海水是含有少量盐溶质的水溶液，平均而 言，海水密度为1025kg/m3,含盐量为3.5%
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海水的组成
• 海水中水大约占96.5%，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 含量约为3.5%。 • 迄今已测定海水中含有80余种元素
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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 非常特殊的物理性质 ，是地球上最普遍的液体和生命 必须品。 • 水分子结构特殊: H2O • 极性分子(偶极子) • 易发生分子缔合
水密度随温度的变化
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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 小颗粒 • 从化学上可将这些溶质分为5类：主要成份，营养 盐、气体、痕量元素和有机化合物。 • 主要成份即海水中的阳离子和阴离子，占所有溶 质的99.99%，是不随时间变化的保守量
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海水组成恒定性
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CI-1/SO42-，Na+/K+
C (35,15,0) K15 1 C (32.4356,15,0)
实用盐度计算公式
• 温度为150C海水盐度公式
1/ 2 S15 0.0080 0.1692 K15 25.3851K15 3/ 2 2 5/ 2 14.0941K15 7.0261K15 2.7081K15
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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 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 • 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
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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 重要的理化特性之一 • 最初的盐度定义：1kg海水中所包含的溶质的总 质量。 • 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 量置换，有机物全部氧化后所剩固体物质的总克数”。单 位是g/kg，用符号‰表示
• 该方法测定盐度非常繁琐，不适用于海洋调查
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海水的盐度
• Knudsen公式（化学方法） 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 S ‰ = 0.03 + 1.805 CI ‰
温度和位温
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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
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海水的蒸发潜热
• 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， 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
• Dietrich(1980)给出如下计算公式（0~300C）
L (2502.9 2.720t ) 103 J/kg 0 t 30 C
元素 氯离子 钠离子 constituent Chloride Sodium 符号 ClNa+ 含量g/kg 19.350 10.760 百分比 55.07 30.62
硫酸根
镁离子 钙离子 钾离子 碳酸氢根 溴离子 锶离子 硼离子 氟离子
sulfate
magnesium calcium potassium bicarbonate bromide strontium boron fluoride
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• 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 以气体形式存在，不能形成海洋 和生命！ • 水是地球上唯一可同时存在固、 液、气三态的物质 • 水的溶解力很强 • 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 离溶质的表面进入水中 • 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
S 0.0080 0.1692 K t1/ 2 25.3851K t 14.0941K t3/ 2 7.0261K t2 2.7081K t5 / 2 S t 15 S [0.0005 0.0056 K t1/ 2 0.0066 K t 0.0375 K t3/ 2 1 0.0162(t 15) 0.0636 K t2 0.0144 K t5 / 2 ] K t C ( S , t , 0) / C ( KCI , t , 0) 20 C t 350 C
• 上面公式又进一步推广到任意压力（Millero， 1996）
关于实用盐度
• 由电导率推算盐度可准确到±0.003 • 测盐度的仪器事先用标准海水来标定 • 盐度35的标准海水取自大西洋北部，封装在275ml的玻璃瓶中， 根据实用盐度标准标定其电导率比和盐度。自1989年起，由 设在英国的Ocean Scientific International分发到世界各 地
纯水的特性
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纯水的特性
• 水在温度4ºC时密度最大？ • 温度低于40C时，有利于分子 的缔合 • 冻结为冰时，水分子全部缔 合成一个巨大的分子缔合体， 称为分子晶体。结构排列松 散，密度减小 • 水温从00C到40C时，主要过程 是较大缔合分子离解成较小 的缔合分子 • 温度进一步升高时，分子热 运动增强，导致体积膨胀， 密度减小
• 痕量元素的含量虽然少，但对某些生物化学反应 至关重要。 例如大部分海域限制浮游植物生长的是铁元素
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海水中的溶质
• 气体：主要包括N2、O2、CO2、H2、Ar、Ne、He。 • 前三者分别占总气体的47.5%、36.0%和15.1%，其 余占1.4% • 海洋酸化？
• N2和惰性气体很少参与生物活动，而O2和CO2很大 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
• 海洋的平均盐度为34.7；红海最高36-38；波罗地海最低7-8 • 影响盐度的因素：
外海大洋：蒸发和降雨 沿岸海域：径流
• 低、高纬度海区的盐度，哪一个高？
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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 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 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
• 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， 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 为绝热温度梯度。 • 海洋的绝热温度梯度平均为 0.11º C/km
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• 位温
海水的位温
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 此时相应的密度称为位密。 • 海水的位温显然比 其现场温度低。 为什么？
CI ‰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
• 国际上统一使用一种其氯度值精确为19.374 ‰的 大洋水作为标准，对应的盐度值为35.000 ‰，称为 标准海水
• 1966年修改为 S ‰ = 1.80655 CI ‰
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海水的盐度（电导方法）
• 化学方法一直沿用到20世纪60年代 • 盐度的电导率定义（Cox et al., 1967） 2 s ‰= 0.08996 28.29720 R15 12.80832 R15
3 4 5 10.67869 R15 5.98624 R15 1.32311R15
为15ºC，一个标准大气压（101325 Pa）下，水样的电 导率C(S,15,0)与盐度精确为35‰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 • 国际“海洋学常用表和标准联合专家小组”（JPOTS）于 1969年推荐使用此新定义 • 缺点：
• 虽然Si不直接参与细胞植物生长，但它对SiO2沉降至关重要，SiO2是 硅藻和散线虫类动物的骨骼成份。
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海水中的溶质
• 痕量元素：海洋中极小量的无机成分。
• 痕量元素主要包括Li、I、Mo、Zn、Fe、Al等
• 上述痕量元素的含量分别为170、60、10、10、10、 10ppb。（ppb=parts per billion）
K15 C ( S ,15, 0) / C ( KCI ,15, 0) 2 S 42
其中K15 为一个大气压下，温度150C，海水样品的电导率 与标准KCI溶液的电导率之比 • 实用盐度不再使用符号‰
实用盐度计算公式
• Lewis（1980）给出任意温度的盐度公式
Kt 为任意温度下的电导率之比