第三讲 海水的物理性质 [兼容模式]

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• 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
• 由于海浪破碎或被风撕裂,形成海盐气溶 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,最后归聚河流又回 到海洋 大气
• 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
• 根据海水的电导率取决于其温度和盐度的性质,通过测定 其电导率和温度得到海水盐度。
• 盐度的电导率定义(Cox et al., 1967) 通过测定样品海水和标准海水的电导率之比来确定盐度, 1969年开始推广使用
Cl-
19.350
55.07
钠离子
Sodium
Na+
10.760
30.62
硫酸根 镁离子
sulfate magnesium
SO42Mg2+
2.710 1.290
7.7Baidu Nhomakorabea 3.68
钙离子
calcium
Ca2+
0.410
1.17
钾离子
potassium
K+
0.390
1.10
碳酸氢根 溴离子
bicarbonate bromide
• 对海水而言,由于盐度存在,则单位面积海面上 平均水分子数目要少,限制了海水蒸发,使饱和 水汽压降低
• 海面的蒸发量与海面上水汽压与饱和水汽压的差 成正比,饱和水汽压小不利于蒸发
• 冬季和夏季哪个季节易于水蒸发?
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海水蒸发与天气
• 由于海水蒸发,海洋平均 每年失去126cm厚的海水
• 为何不见海面降低?
• 密度超量
γ = ρ −1000kg • m-3
• 海水密度可以直接测量吗?
• 海水状态方程
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海水的沸点升高和冰点下降
• 海水最大密度温度随 盐度增加而降低
• 海水沸点和冰点与盐 度有关
• 若海水的热传导是由海水块体运动的随机运动所引起,称 为涡动热传导或湍流热传导,其热传导系数的量级为 102~103
• 涡动热传导与海水的运动状况有关 • 海水盐量扩散与上述情形类似,但分子盐扩散系数仅为分
子热传导系数的0.01左右(为什么?)
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海水的粘滞性
• 海水的粘滞性
当相邻两层海水做相对运动时,由于水分子的不规则运动或海
• 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
波浪
降雨
海洋
海洋
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海水盐度的测定
• 实际利用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。
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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)
• 缺点:
• 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 • 有人认为这不是盐度的新定义,而只是给出了氯度是海水电导率与标
准海水电导率之比的函数
• 为克服上述问题,1978年推出实用盐度标度
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实用盐度标度
• 为使盐度的测定脱离对氯度测定的依赖,于1978年提出实 用盐度标度,克服了海水盐度受海水成分影响问题,1982 年1月开始在国际上推行
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)
• 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
• 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+
元素
constituent 符号 含量g/kg 百分比
氯离子
Chloride
• 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 tρ (max) = 3.95 − 2.0 ×10−1 S −1.1×10−3 S 2 + 0.2 ×10−4 S −3
• 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
5
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。
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?
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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
• 实用盐度不再使用符号‰
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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
HCO3Br-
0.140 0.067
0.40 0.19
锶离子
strontium
Sr2+
0.008
0.02
硼离子
boron
B3+
0.004
0.01
氟离子
fluoride
F-
0.001
0.01
合计
total
99.99 7
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
• 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
水密度随温度的变化
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纯水的特性
• 盐度越大,密度最大值对应的温度越低
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
• 海水的表面张力 在液体的自由表面上,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,这就是表面张力。海水的表面张力随温度的升高而减 小,随盐度的增大而增大
• 表面张力对海面毛细波和海浪的生成至关重要!
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海水的密度
• 海水密度是海水温度、盐度和压 力的函数
• 一般随温度增大而减小,随盐度 增大而增大
• 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 ‰
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
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海水的力学性质
• 海水的渗透压 被半渗透膜(水分子可透过,但盐分子不能透过)分开的海水和淡水, 由于淡水一侧的水慢慢地渗向海水一侧(?),使海水一侧的压力增 大,直到达到平衡状态,此时膜两边的压力差,称为渗透压
• 海水的渗透压随海水盐度的增高而增大
• 海洋生物的细胞壁就是一种半渗透膜,渗透压对海洋生物的生存十分 重要!
• 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
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海水的绝热变化
• 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 0.11ºC/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
• 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, 与海水的氯度无关
• 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
水块体的随机运动(湍流),在两层海水之间便有动量传递,
产生切应力
τ = μ ∂v
∂n
μ 为动力学粘性系数,单位为Pa·s μ / ρ 为运动学粘性系数,单位为m2/s
• 单纯由分子运动引起的粘性系数非常小,一般可忽略,而湍 流引起的涡动粘性系数较大
• 分子粘性对海-气界面物质交换过程(如CO2)非常重要
第三讲 海水的物理性质
• 海水的构成是什么?
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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
• 水分子结构特殊 • 极性分子 • 易发生分子缔合
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纯水的特性
• “热胀冷缩”?
• 水在温度4ºC时密度最大?
• 伴随海水蒸发,海洋不仅 失去水分,同时失去大量 热量,由水汽携带而输向 大气。
• 热带气旋、台风、飓风的
生成
为什么台风多在热带和夏秋季生成?
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海水的传导性
• 相邻海水温度不同时,由于海水分子或海水块体的交换, 会使热量由高温向低温处转移,称为热传导
• 由分子的随机运动引起的热传导,称为分子热传导,海水 分子热传导系数为10-1量级
• 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-。 • 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
• Dietrich(1980)给出如下计算公式(0~300C)
L = (2502.9 − 2.720t) ×103 J/kg 0 ≤ t ≤ 30D C
• 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。
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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
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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
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