研究海水的物理特性及其表征
《海洋学(第二版)》第二章 海水的物理和化学性质 PPT
在不同压力下纯水与海水的热膨胀系数随 温度的变化
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（五）绝热变化
绝热提升时，压力减小，体积膨胀，对外做功， 消耗内能导致温度降低；绝热下沉时，压力增加， 体积减小，外力对海水微团做功，增加其内能使 温度增加。 位温：某一深度海水绝热上升到海面时温度称该 深度海水的位温。比现场温度低。
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第二节 海水盐度
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四、实用盐标
为使盐度的测定脱离对氯度测定的依赖， JPOTS（海洋用表与标准联合专家小组 ） 又提出了1978年实用盐度标度（the Practical Salinity Scale， 1978），并建立 了计算公式，编制了查算表 。
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实用盐度的固定参考点：
配制一种浓度为32.4356‰高纯度的KCl溶液， 它在“一个标准大气压力”下，温度为15℃时， 与氯度为19.374‰（盐度为35.000‰）的国际 标准海水在同压同温条件下的电导率恰好相同 ， 把这一点作为实用盐度的固定参考点。
第二章 海水的物理和 化学性质
主要内容
第一节 海水温度和热性质 第二节 海水盐度 第三节 海水密度 第四节 海洋光学现象 第五节 海洋声学现象 第六节 海水中的营养盐
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第一节 海水温度和热性质
一、海水温度 表示海水冷热的物理量。
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二、海水的热性质
（一）比热 热容：海水温度升高 （ 热容：海水温度升高1K（或1℃）时所吸收的热 ℃ 单位记为J/K或记为 ℃。 或记为J/℃ 量，单位记为 或记为 比热容：单位质量海水的热容，单位记为J·kg比热容：单位质量海水的热容，单位记为 1·℃-1 。 ℃ 1m3海水降低1℃放出的热量可使3100m3的空气升 高1℃。 海洋对气候的影响是不可忽视的。
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03-4 海洋温密盐分布-水团
周期性交替出现的涨、落潮流，携带近、外海不同温度海水，与太 阳辐射水温日变化叠加，造成水温变化复杂化，特别是浅海域上层。
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§3.3 海洋温度、盐度和密度的分布
海洋温度的分布与变化
大洋表温年变化主要受制于太阳辐射，在中高纬度表现为年周期特 征，热带海域因太阳一年两次当顶直射，故为半年周期。
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§3.3 海洋温度、盐度和密更复杂，其总特征是： 1) 基本 沿纬线呈带状分布，但赤道向两极呈马鞍形双峰分布。即赤道 海域盐度较低；副热带海域达最高值；副热带向两极又逐渐降低。 2) 寒暖流交汇区和径流冲淡区，盐度梯度特别大，某些海域>0.2/km。 3) 最高与最低盐度值多出现在大洋边缘海盆。如红海北部达42.8←蒸 发强、降水与径流小、与大洋交换不畅；黑海为15～23←降水量和径 流量>>蒸发量。 4) 冬季分布特征与夏季相似，但季风影响显著海域如孟加拉湾有较大 差异。夏季因降水量大，盐度降低；冬季降水少、蒸发加强，盐度增 大。
表层水温水平分布
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大洋环流
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§3.3 海洋温度、盐度和密度的分布
海洋温度的分布与变化
水平分布
世界大洋2月和8月表温分布具如下共同特点： 1) 等温线分布沿纬线大致呈带状，40°S 以南海域几乎与纬度圈平 行，冬季明显于夏季，这与太阳辐射的纬度变化密切相关。 2) 冬、夏季最高温度均出现在赤道附近海域，西太平洋和印度洋近 赤道海域达28～29℃，位置在7°N 左右，称为热赤道。
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一些重要概念
§3.3 海洋温度、盐度和密度的分布
Sea Surface Temperature (SST) 与气温相近，但并不相同 与气海相互作用有直接关联 当海面极平静无风时，海面会形成一个薄层 真正SST不易观测，一般以数十公分海温为代表
海水具备哪些理化特性而成为孕育生命的摇篮？
鱼鳔 低密度的机制 鱼鳔的大小可以调 节，使生物体的密 度与其周围水的密 度相一致。
微型单细胞藻 鲨鱼 体内含有小油滴， 无鳔 其密度为 没有骨质的骨骼，0.938/cm3(是纯水 骨骼中缺少沉重 密度90%~93%）， 的矿物盐。 补偿了自然下沉的 趋势。
海水的表面张力
液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿 表面作用于任一界线上的张力。 随温度和盐度的增高而增大。 海水的表面张力对生活或停留在 水表面的生物来说是有意义的，它 们靠水表面张力的支撑而不至于沉 入海水中。如海蜘蛛依靠表面的张 力而生活在海洋的表面上。 对于运动于水表面的物体来说， 其可以很轻易地流走并保持相当干 燥的表面。
Si：溶解硅酸盐和悬浮二氧化硅 硅是海洋植物如硅藻类生长所必需的 营养盐。
另一方面盐类的含量直接影响着海水的盐度。
盐度状况对海洋生物的个体大小与形态结构有一定影响。
对海洋动物的生殖有一定影响，许多海洋生物是体外受 精，受精卵需依赖于海水得到所需要的盐类进行发育。
盐度与海洋动物分布有关，盐度降低和变动，通常伴随 着动物种数的减小。
海水的热学特性
热容量、蒸发潜热、比热容和热导率等。
蒸发（55%） 热传导出 （5%） 海面辐射
空气
水
液化 热传导入
太阳辐射（99.9994%） 来自地球内部的热（0.0005%）
热容量和蒸发潜热很大而具有相当 高的阻止温度大幅度突发性变化的能力。 导热性很小，热量向周围扩散很慢， 水域温度比较稳定。
海水中的CO2在生物过程中起重要作用，海洋植 物光合作用消耗CO2为自身提供营养物质，同时为海 洋动物提供O2。 CO2可以与水反应，得到碳酸氢根和碳酸根，是 海水中溶解碳的主要形式。
海水中的有机物
海水的物理化学特性
如何把已经产生的过剩CO2除去就更令人感兴趣。
3、 海水中的营养元素
海水中由N、P、Si等元素组成的某些盐类，是海洋植物生长 必需的营养盐，通常称为“植物营养盐、“微量营养盐”或 “生源要素”。
②降水 为海洋水收入的最重要因子。每年达411~416×10３km3。
③大陆径流 大陆径流及地下水入海是海洋水量收入的另一重要因子。 进入各大洋的径流量最大的为大西洋，其次为印度洋。对太 平洋来说，注入最大的河流是中国的长江。
④结冰与融冰 结冰与融冰为海洋水平衡中的可逆过程。 海冰被海水冲击到陆地上使海洋失去水量，相反，冻结在陆 地上冰的融化会使海洋水量增加。 如果被冻结在陆地上的冰全部融化流入海洋，将使海平面上 升66m。 就目前地质年代而言，结冰与融冰的量基本上是平衡的。
食盐：烹调必须的成份，化学工业的重要原料。海水质量 的3.5%是溶解固体物，其中氯化钠占71%。
镁：海水中仅次于氧、氢、氯、钠含量最多的元素。在各 种建筑结构中有广泛用途。
溴：海水中丰度列第九位的元素，是海水制盐或海水提镁 的副产物，它可用作汽油的抗爆化合物，也可用于制药。
铀：在海水中的浓度是溴的1/2000，即使如此，许多国家 仍在开展海水提取铀的研究，以期获得铀的稳定来源。但目前 陆源的铀成本低得多，故海水提铀尚难进入商业化。
（4）水的密度变化有反常 “热胀冷缩”是一般物质的性质。 纯水在大气压力下，温度4℃时密度最大，为1000kg·m3； 4℃以上时，密度随温度的降低而增大； 4℃以下时却随温度的降低而减小，即所谓“反常膨胀”。 水结冰时体积增大，密度减小，可达916.7 kg·m3，所以冰总
海水分析方法
海水分析方法
海水是地球上占绝大部分的水资源之一，其化学成分的分析对于海洋生态环境
的监测和海洋资源的开发利用至关重要。
本文将介绍常见的海水分析方法，包括物理分析、化学分析和生物分析等方面。
物理分析
物理分析是通过直接测定海水中的物理性质来进行分析，常用的方法有：•密度测定：通过测定海水的密度可以了解海水的盐度和温度等信息，常用的密度计有密度计和比重计等。
•水质透明度测定：可以通过透射测定海水的透明度来评估海水悬浮物及污染情况。
•溶解氧测定：通过溶解氧的浓度来了解海水中的氧气含量，常用的测定方法有滴定法和电化学法等。
化学分析
化学分析是通过测定海水中各种化学成分的含量来了解海水的化学特性，主要
包括：
•盐度测定：测定海水中的盐分含量，常用的方法有电导法和比重法等。
•主要无机盐分析：测定海水中不同盐分的含量，如氯化物、硫酸盐、碳酸盐等。
•微量金属元素测定：通过原子吸收光谱等方法测定海水中微量金属元素的含量，如铁、锰、锌等。
生物分析
生物分析是通过测定海水中生物体或生物产物的存在来了解海水的生物活性，
主要包括：
•浮游生物调查：通过捕捞和显微镜观察等方法对海水中的浮游生物进行种类和数量的分析。
•生物物质含量测定：测定海水中的叶绿素、有机物质等生物产物的含量，了解海水中的生物活性程度。
•污染生物指标测定：通过测定海水中特定生物种群的存在和数量，评估海水污染情况。
综上所述，海水分析是一项综合性的工作，涉及到多个方面的测定和分析，只有综合运用不同的方法，才能全面了解海水的性质及环境状况，为海洋环境保护和资源利用提供科学依据。
大洋海水的化学和物理特征
1.水的形态/form：固体/solid (ice)氢键牢固、晶体结构/crystal、比重小于1、固定的体积和形状液体/liquid结构趋于晶体化、为比重的分界、有体积无形状气体/gas (steam or water vapor)无氢键、水分子相互独立、无固定形态和体积氢键（hydrogen bonds)水的热值为：1将1克液体的水温度升高1度需1卡热，将1克的水变成的蒸汽需540卡热，将1克的冰变为的水需80卡热当盐入水后，在正负离子周围包围了一层水分子，弱化了盐离子键的结合力，逐步导致其断裂，使盐溶化在水中2.海水的盐类组成成分：Cl- 18,980 (PPM) Na+ 10,560 SO4 2560 Mg+2 1272，Ca+2 400，K+ 380，HCO3- 142，Br+ 653.盐类起源：Chemical weathering of rocks/化学风化sodium(Na+), potassium(K+), magnesiu(Mg++),etc.Hydrothermal vents/熔岩火山 sulfide(HS-), chloride(Cl-), etc.4．海水的特性：盐度和硬度，温度，密度，pH，溶解气体，透明度，压力，水压硬度：现在仅指钙离子和镁离子的浓度海水温度和盐度决定了它的密度，温度越低，盐度越高，密度越大。
透明度：阳光在海洋中能穿透的深度。
每增加10米，压力就增加1个大气压5.大洋水体由于比重的关系通常是分层的。
表层和底层的水的比重差异大小导致水体稳定或不稳定。
表层:（<100m)混合层:（100-200m）温跃层:在浅水区域水温突然发生变化的水层。
中间层: (200-1500m) 深层或底层:(1500-5000m)6.风的类型：信风西风带极地东风带7. 潮水是由太阳、月亮的综合引力以及太阳、地球和月亮旋转时所产生的离心力的共同作用而产生的。
八分算潮法：高潮时=0.8×(农历日期-1(或16))+高潮间歇=月中天时+高潮间歇（高潮间歇各地不一，是个常数）某一高潮时+12h24min.即为下一个高潮时某一高潮时+ 6h12min.即为下一个低潮时8.厄尔尼诺（El Niño Phenomenon）又称厄尔尼诺海流，是太平洋赤道带大范围内海洋和大气相互作用后失去平衡而产生的一种气候现象，就是沃克环流圈东移造成的。
第三章 海水的物理特性
规律：从低纬向高纬递减
各大洋表层水温差异：与所处地理位置、大洋形状、大洋环流有关； 大洋在南、北两半球的表层水温差异：赤道流、地形。
海水的温度
日本暖流（从低 纬度流向高纬度） 流经，气温较高
加利福尼亚寒流 （从高纬度流向 低纬度）流经， 气温较低
注意观察：北回归线穿过的太平洋的东西岸气温的差异
力学性质：
包括：海水的粘滞性、渗透压、表面张力。
海水对大气温度的调节作用
一般而言，水的热容量比土壤大2—3倍，比空 气大3000多倍。海洋面积广大，水量大，而且热容 量又很大，这就限制了海水温度的大幅度变化。海 水温度的变化比陆地温度的变化小得多，因而使海 洋上空的气温比陆地上空的气温变化慢，海水对大 气温度起着调节作用。 表现：沿海地区一般具有“冬暖夏凉”的海洋性气 候特征。
海水热量的收支
海水热量收入主要来自太阳辐射的热量。海水热 收入 量支出，主要是海水蒸发所消耗的能量。
海水热量的收支
海水热量收入主要来 收入 自太阳辐射的热量。海水 热量支出，主要是海水蒸 发所消耗的能量。
在一年中的不同季节，不同的海区，热量收支并不平 衡。但由于大气环流、海水的运动，调整和维持着全球的 热量平衡，因此一年中，世界海洋热量的收入和支出基本 上是平衡的。
海 水 温 度
空间分布 时间分布 影响因素
水平分布：由低纬向高纬递减 垂直分布：随深度的增加而递减 （1000米以下变化不大） 夏季高于冬、昼高于夜 太阳辐射 天气气候 洋流
思考题
1、关于海水温度的叙述，正确的是 （ C）
A 海水表层温度变化不明显，1000米以下，急剧下降 B 海水热容量大，温度变化比陆地大得多 C 不同纬度海区水温，低纬高些，高纬低些 D 中低纬度海区水温，海洋东岸低些，西岸高些 2．海水对大气温度起明显的调节作用，根本原因是 （ C ） A 海水的温度变化比陆地小 B 海水热容比陆地小 C 海水热容很大 D 海水中盐类物质含量高
自然科学实验教案：探究海洋的物理性质
自然科学实验教案：探究海洋的物理性质。
一、实验目的本次实验旨在帮助学生了解海洋的物理特性，深入了解海洋的成分、温度、密度和压力等方面的知识，并进一步提高学生的实验操作技能和科学素养。
二、实验原理1.海水的成分海水是由水和一些气体以及各种无机和有机物质构成的，其中最主要的无机物质包括钠氯化物、硫酸盐和碳酸盐。
2.海水的密度海水的密度、温度和盐度之间存在着紧密的关系。
当海水的盐度和温度增加时，海水的密度也会增加。
另外，海水的密度还会受到海水所处的深度和地理位置的影响。
3.海水的温度海水的温度会影响海洋生物的生长繁殖和分布。
海水的温度、盐度和压力之间存在着复杂的相互关系，它们共同影响着海洋的物理和生态系统。
4.海水的压力随着深度的增加，海水的压力也会增加。
同时，海洋中存在着海底山脉、海沟等地质构造，也会影响海水的流动和压力分布。
三、实验步骤1.制备海水模拟液将海盐加入温水，搅拌至海盐完全溶解，即制得海水模拟液。
2.测量海水模拟液的密度和盐度将海水模拟液倒入密度计中，记录下密度计的读数。
再将海水模拟液倒入盐度计中，记录下盐度计的读数。
3.测量海水的温度和压力使用温度计测量海水的温度，并使用深度计测量海水所处的深度，从而计算出海水的压力。
四、实验结果与分析通过实验，我们可以得到海水模拟液的密度和盐度。
同时，我们也可以通过温度计和深度计测量出海水的温度和压力。
我们可以将密度和盐度的关系绘制成图表，以了解它们之间的关系。
另外，我们还可以通过比较不同深度和地理位置的海水的密度、温度和压力等参数，了解海洋的物理特性和生态条件。
通过实验结果的分析，我们可以深入了解海洋的物理特性，并进一步提高我们的科学素养和实验技能。
五、实验思考1.通过本次实验，你了解了哪些关于海洋物理学的知识？2.你认为掌握海洋的物理特性对于我们的现代化建设和生活有何意义？3.是否有其他实验方法可以更好地探究海洋的物理性质？通过这样的一系列实验，我们可以更为深入地了解海洋的物理性质，从而更好地认识和利用这一重要的自然资源。
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研究海水的物理特性及其表征
海水的热性质 ← 压缩性
§3.1 海水的物理特性
压缩系数：力增加1Pa 时的单位体积海水的体积负增量。
海水微团被压缩时，若因与周围海水有热量交换而维持其 水温不变，则称为等温压缩。若海水微团被压缩过程中，未 与外界交换热量，则称绝热压缩。
研究海水的物理特性及其表征
海水的热性质
§3.1 海水的物理特性
包括：海水的热容、比热容、绝热温度、位温、热膨 胀及压缩性、热导率与比蒸发潜热等，是海水的固有性 质，是温度、盐度、压力的函数。它们与纯水的热性质 多有差异，这是造成海洋中诸多特异的原因之一。
研究海水的物理特性及其表征
§3.1 海水的物理特性
研究海水的物理特性及其表征
§3.1 海水的物理特性
海水及其盐度
1982年联合国教科文组织定义实用盐度： “水温15℃、1个大气压状态下，与1kg水中含有氯化钾32.4356g 的溶液具有相同电传导率的海水盐度作为35，其他盐度依据水温 15℃、1个大气压状态下与氯化钾溶液的电传导率之比(k)由下式 求出。” S = -0.080-0.1692k1/2+25.3851k +14.0941k3/2-7.0261k2+2.7081k5/2 无单位、或用psu(practical salinity unit)表示之。
第三章 海水的物理特性及其表征
海洋科学导论
§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 海洋水团 §3.5 海洋湍流混合与细微结构*
☼ 思考题 ?
研究海水的物理特性及其表征
第三章 海水的物理特性及其表征
§3.1 海水的物理特性
✓ 海水及其盐度 ✓ 海水的热性质 ✓ 海水的力学性质 ✓ 海水密度
海水的热性质 ← 热容和比热容
海水温度升高1K(或1℃)时所吸收的热量称为热容，单位是J/K 或J/℃；单位质量海水的热容称为比热容，单位为J·kg-1·℃-1。 海 水 比 热 容 约 为 3.89×103J·kg-1·℃-1 ， 其 密 度 为 1025kg·m-3 ； 空 气比热容为1×103J·kg-1 ·℃-1 ，密度为1.29kg·m-3。即1m3 海水降 低1℃放出的热量可使3100m3空气升高1℃。地球表面积近71％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。
研究海水的物理特性及其表征
§3.1 海水的物理特性
海水的热性质 ← 体积热膨胀
热膨胀系数：温度升高1K(1℃)时，单位体积海水的增量， 以h表示，在恒压、定盐情况下h=1/V·(∂V/∂T)|P,S，h的单位 为℃-1。
海水热膨胀系数 h随T、S和P的增大而增大。在大气压下， 低温低盐海水的h<0，即T升高时海水收缩。
与其它流体相比，海水的压缩系数很小，故在海洋动力学 中，常把海水简化为不可压缩流体；但在海洋声学中，压缩 系数却是重要参量。
因海洋深度很大，受压缩的量实际上相当可观。若海水真 正“不可压缩”，则海面将升高30m左右。
研究海水的物理特性及其表征
§3.1 海水的物理特性
海水的热性质 ← 绝热变化
海水的压缩性导致其微团在铅直位移时，深度变化→压力变化 →V变化。绝热下沉时，P增大→V缩小，外力对海水微团作功→ 内能增加→T升高；反之，绝热上升时，V膨胀→消耗内能→T降 低。上述过程中海水微团内的温度变化称为绝热变化，海水绝热 变化随压力的变化率称为绝热温度梯度，以G表示。 海洋中的现场P与水深有关，故G单位用K/m或℃/m表示，也是T、 S和P的函数，可通过海水状态方程和比热容计算或直接测量而得 到。 海洋的绝热温度梯度很小，平均约为0.11℃/km。
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§3.1 海水的物理特性
海水的热性质 ← 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 由高温处向低温处转移，这就是热传导。 单位时间内通过某一截面的热量，称为热流率，单位W。单位面积 的热流率称为热流率密度，单位W·m-2。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Q=-l·(∂T/∂n)， n为热传导面法线方向，l为热传导系数，单位记W·m-1·℃-1。 仅由分子随机运动引起的热传导，称分子热传导，热传导系数lT为 10-1量级。由海水块体随机运动所引起的热传导，称为涡动热传导或湍 流热传导，热传导系数lA与海水运动状况有关，故不同季节、不同海 域的lA差别较大，量级为102~103。 因此，涡动热传导在海洋热量传输过程中起主要作用，而分子热传 导占次要地位。但在“双扩散”对流时，分子热传导作用不可忽视。
研究海水的物理特性及其表征
§3.1 海水的物理特性
海水的热性质 ← 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，称为比蒸发潜 热，记L，单位J/kg或J/g。其量值受S影响很小，可只考虑T影响。 液体物质中，(海)水的蒸发潜热最大，故蒸发不但使海洋失去水 分，也失去巨额热量，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。 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“暖心”的生成和维持。“暖心”最重要的热源之一，是海水 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。 海洋蒸发每年失去约126cm 厚的海水，使气温发生剧烈变化， 但因海水热容很大，从海面至3m 深的薄薄一层海水的热容就相当 于地球上大气的总热容，故水温变化比大气缓慢得多。
研究海水的物理特性及其表征
海水及其盐度
§3.1 海水的物理特性
海水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，迄今已测定海水中含有80 余种元素。
海水中的含盐量是海水浓度的标志，海洋中的许多现象和过 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事情。长期以来人们对此进行了广泛的 研究和讨论，引进了“盐度”以近似地表示海水的含盐量。
研究海水的物理特性及其表征
§3.1 海水的物理特性
海水的热性质 ← 位温
某深度(压力为P)的海水微团，绝热上升到海面(压力为大气压P0) 时所具有的温度称为该深度海水的位温，记为Q。海水微团此时的 相应密度称为位密，记为rQ。 海水的位温显然比其现场T低，若因绝热上升到海面微团水温降 低了DT，则该深度海水的位温Q=T-DT。 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更能说明问题。