1、地球科学体系 定义：以人类之家 地球为研究对象的科学体系。 地球系统的复杂性导致研究其某一部分学科不断深入，发展成新的相对独立学科。各学科相互交叉、渗透，又不断形成新的交叉、边缘学科。如此，地球科学就组成了一个复杂的科学体系，包括地理学、 地 质学、大气科学、海洋科学、水文科学、固体地球物理学，以及与地球科学有密切关系的环境科学和测绘学。 地理学 研究地球表面自然现象、人文现象以及它们之间相互关系和区域分异。 地球表面指大气圈、岩石圈、水圈、生物圈和人类圈相互交接的界面。 广义上，大气圈对流层顶部 岩石圈沉积岩层底部，厚度 3035km； 狭义上，大气圈、岩石圈、水圈的交接面，上限小于 100
2、m，相当于对流层近地面摩擦层下部 地面边界层，下限为太阳辐射可能到达的深度，陆地 30m，海洋 200m，所以狭义的地球表面厚度一般不超过 200300m，人类活动最集中、最活跃的场所。 许多研究地球表面某一圈层或其中部分要素而原属于地理学范畴的学科，也已 分出且进一步发展成与其他学科交叉渗透，从而形成了相对独立的学科，如大气科学、海洋科学和水文科学等。 地质学 定义：是关于地球的物质组成、内部结构、外部特征、各圈层间的相互作用和演变历史的知识体系。 研究对象：地球的内、外圈层，矿物和岩石，地层和古生物，以及地质构造和地质作用等等。由于观察和研究条件的限制，在现阶段仍主要是研究岩石圈，此外，也
3、涉及大气圈、水圈、生物圈以及岩石圈以下更深的部位，甚至也包括某些地外物质。 (固体 )地球物理学 定义：是地质学与物理学之间的边缘学科，研究各种地球物理场和地球的物理性质、 结构、形成及其中发生的各种物理过程。 广义的地球物理学，除研究地球的固体部分外，还包括对水圈和大气圈的研究。因为海洋科学、水文科学和大气科学业已各自发展成为独立学科，于是，致力于研究地球固体部分宏观物理学现象的分支，便成为狭义的地球物理学，或直接称为固体地球物理学。 大气科学 定义：是研究大气的各种现象及人类活动对它的影响，这些现象的演变规律， 以及如何利用这些规律为人类服务的综合性学科 研究对象：主要是覆盖整个地球的大气
4、圈，也包括太阳系其它行星的大气。大大超出传统“气象学”范围，与其它学科相互渗透越来越多 ， 1960 年代以来，已普遍采用“大气科学” 众多分支学科和广泛研究内容：大气物理学、 (动力 )气象学、气候学、应用气象学、大气化学、大气探测和人工影响天气等。 水文科学 定义：是关于地球上水的起源、存在、分布、循环、运动等变化规律和运用这些规律为人类服务的知识体系。 研究对象：从陆地表面水到地下水，广义上也包括从大气中水到海洋中水，以及对水圈同大气圈、岩石圈和生物圈等地球自然圈层的相互关系的研究。 现代水文科学还重视研究水资源的利用和人类活动对自然环境的反馈效应。 传统的水文科学，是按其研究对象划分分
5、支学科的。主要有河流水文学、地下水文学和海洋水文学，通称为 (普通 )水文学。与之对应的是应用水文学，包括工程水文学、森林水文学等。新技术应用促进并形成一些新分支学科，如遥感水文学、同位素水文学等。 以陆地水为研究对象的陆地水文学，是水文科学的主要组成部分。因为以海洋中的水为研究对象的海洋水文学，已归属海洋科学之中，而对大气中的水的研究，至今还没有形成完全独立的学科。 相关学科 环境科学：是在现代社会经济和科学发展过程中形成的新兴综合性科学。其研究对象 环境，是对以人类为 主体的外部世界而言的，即人类赖以生存和发展的物质条件的综合体，包括自然环境和社会环境。 测绘学：测定地球形状、重力场和地面
6、点的几何位置，直到测绘各种类型的地图。它既可为地球科学和空间科学提供有关地球内部结构、地球动态及其外部重力场等方面的信息，又可为国家经济建设和国防建设提供宝贵资料。 海洋科学 定义：是研究地球上海洋的自然现象、性质及其变化规律，以及与开发、利用海洋有关的知识体系。 研究对象：海洋中的 (海水、营养盐、生物 )，海底的 (海洋沉积、海底岩石圈 )，海口的 (河口、海岸带 )，海面的 (大气边界层 )。 研究内容：海水运动规律，海洋中的物理、化学、生物、地质过程，及其相互作的基础研究；海洋资源开发、利用，有关海洋军事活动迫切需要的应用研究 学科特点：海洋中各自然过程相互作用及反馈、人为外加影响日趋
7、多样等构成其复杂性和综合性，作为物理系统的水 -汽 -冰不停转变，作为自然系统的多层次耦合。 研究特点：明显依赖于直接观察，信息论、控制论和系统论方法重要，学科分支细化与相互交叉渗透并重、趋于综合与整体化研究。 学科分支：基础性分支包括物理海洋学、环境海洋学等，应用技术分支包括渔场海洋学、军事海洋学、海洋生物技术等， 管理开发分支包括海洋功能区划、海域管理等。 1.2 海洋科学的发展史 第一阶段：海洋知识的积累 (18 世纪以前 ) 意大利人哥伦布于 4 次横渡大西洋到达南美洲； 葡萄牙人伽马于 1498 年从好望角经印度洋到达印度； 葡萄牙人麦哲伦完成了人类第一次环球航行； 牛顿用万有引力定
8、律解释潮汐，瑞士人贝努利提出平衡朝理论，法国人拉瓦锡首先测定海水成分，法国人拉普拉斯首创潮汐动力理论。 第二阶段：海洋科学的奠基与形成 (1920 世纪中叶 ) 英国人福布斯欧洲海的自然史、美国人莫里海洋自然地理学、达尔文物种起源分别 被誉为海洋生态学、近代海洋学和进化论的经典著作。 斯韦尔德鲁普、约翰逊和福莱明合著的海洋被誉为海洋科学建立的标志。 专职研究人员增多和专门研究机构的建立，也是海洋科学独立形成的重要标志。 第三阶段：现代海洋科学时期 (20 世纪中叶至今 ) 1994 年 11 月正式生效的联合国海洋法公约 涉及全球海洋的所有方面和问题 1.3 中国的海洋科学 中国海洋 21 世
9、纪议程，全面地阐述了我国海洋未来可持续发展的战略目标和行动计划。 第二章 地球系统与海底科学 地球的诞生与太阳诞生大致为同一时期，根据陨石年代测定，大约在 45 亿年之前。 地球形成后，首先发生重力引起的物质分异。尘埃撞击及放射性物质裂变产生高温，使地球内部的各种物质成为液状体，并因重力作用而导致重物质向地心聚集，在地球中心部形成以铁、镍等重金属为主的地核，其上层为橄榄岩等重岩构成的地幔，而花岗岩等较轻物质则在地球表面形成地壳。 地核可分为固态内核和液态外核，地幔也可分为固态下地幔和液态上地幔。水最轻，只能浮于地壳之上。由于地球诞生之初温度相当高，故地表水几乎蒸发，至大气上层形成厚云层而覆盖地
10、球。之后， 地球失去了其诞生之初由撞击产生的热能，同时，冷却云中的水分以降水形式注入地表，形成原始海洋。 原始海洋因为溶解了当时存在于大气中的盐酸故而推断它曾是强酸性的，后与地表的玄武岩等反应溶出钙、镁、钠、钾等而中和化。 原始海洋中和后，大气中的 CO2就溶于海水并与海水中的钙反应生成碳酸钙沉淀，其结果是海水呈 pH 为 3-4 的弱碱性。这样的一系列反应至少在最初的 10 亿年里一直发生，而之后的30 亿年间，海水构成几乎没什么变化。 太阳系中惟独地球拥有海洋是因为地球与太阳距离适当，使得水既不蒸发、也不冰冻，刚好以水的状态得以保 存。 只有在距离恒星太阳适当、表面温度在 0100 之间的
11、行星 地球，才形成了海洋。 太阳的热量和亮度还在不断增强，据推测，约 50 亿年后太阳会膨胀至吞噬掉我们的地球。 地表陆海分布 地球表面总面积约 5.1108km2，分属于陆地和海洋。以大地水准面为基准，陆地占 29.2，海洋占 70.8，地表大部分为海水所覆盖。 地球上海洋相互连通，构成统一的世界大洋；而陆地则相互分离，没有统一的世界大陆。 地表海陆分布极不均衡，北半球陆地占 67.5，南半球占 32.5。 海洋平均深度达 3795m，而陆地平均高度只有 875m。如果将高低起伏的地表削平，则地球表面将被约 2646m 厚的海水均匀覆盖。 根据海洋要素特点及形态特征，可分为主要部分 洋和附属
12、部分海、海湾和海峡。 大 )洋，远离大陆，面积广阔，占海洋总面积的 90.3；深度大，一般大于 2000m； 海洋要素如盐度、温度等不受大陆影响，盐度平均为 35，且年变化小；具有独立的潮汐系统和强大的洋流系统。 世界大洋通常被分为四大部分，即太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋。太平洋面积最大、最深；北冰洋最小、最浅、最寒冷。 南大洋：具有自成体系的环流系统和 独特的水团结构，既是世界大洋底层水团的主要形成区，又对大洋环流起着重要作用。 海是海洋的边缘部分，海的深度较浅，平均在 2000m 以内。其温度和盐度等海洋要素受大陆影响很大，有明显的季节变化。水色低，透明度小，没有独立的潮汐和洋流系统，潮
13、波多系由大洋传入，但潮汐涨落往往比大洋显著，海流有自己的环流形式。 按海的位置可分为陆间海、内海和边缘海。 陆间海指位于大陆之间的海，面积和深度都较大，如地中海和加勒比海。 内海指伸入大陆内部的海，面积较小，水文特征受周围大陆强烈影响，如渤海和波罗的海等。 陆间海和内海一般 只有狭窄的水道与大洋相通，其物理性质和化学成分与大洋有明显差别。 边缘海位于大陆边缘，以半岛、岛屿或群岛与大洋分隔，但水流交换通畅，如东海、日本海等。 海湾是洋或海延伸进大陆且深度逐渐减小的水域，一般以入口处海角之间的连线或入口处的等深线作为与洋或海的分界。海湾中的海水可以与毗邻海洋自由沟通，故其海洋状况与邻接海洋很相似，
14、但在海湾中常出现最大潮差，如我国杭州湾最大潮差可达 8.9m。 海峡是两端连接海洋的狭窄水道。海峡最主要的特征是流急，特别是潮流速度大。海流有的上、下分层流入、流出，如直布罗陀海峡等；有的分左、右侧流入或流出，如渤海海峡等。 海岸带 世界海岸线全长 44104km，是陆地和海洋的分界线。 由于潮位变化和风引起的增 -减水作用，海岸线是变动的。水位升高时淹没、水位降低时露出的狭长地带即海岸带。 海岸带是海陆交互作用的地带。海岸地貌是在波浪、潮汐、海流等作用下形成的。海岸带一般包括海岸、海滩和水下岸坡三部分。 海岸是高潮线以上的陆上地带，大部分时间裸露于海水面之上，仅在特大高潮或暴风浪时才被淹没，
15、又称潮上带。 海滩是高低潮之间的地带，高潮时被水淹没，低潮时露出水面，又称潮间带。 水下岸坡是低潮线以下直到波浪作用所能到达的海底部分，又称潮下带，其下限相当于 1/2 波长的水深处，通常约 10 20m。 大陆边缘：大陆与大洋之间的过渡带，按构造分稳定型和活动型。 稳定型大陆边缘没有活火山和地震，由大陆架、大陆坡和大陆隆三部分组成。 大陆架亦称陆架、大陆浅滩、陆棚。 “邻接海岸但在领海范围以外深度达 200m 或超过此限度 而上覆水域的深度容许开采其自然资源的海底区域的海床和底土”，以及“邻近岛屿与海岸的类似海底区域的海床与底土”。应强调它是大陆向海洋的自然延伸，最显著特点是坡度平缓，平均仅
16、 7。 大陆坡：分开大陆和大洋的全球性巨大斜坡，其上限为大陆架外缘 (陆架坡折 )。坡度较陡，但不同海区差别大，平均 417(包括活动型大陆坡 )。水深难定， 200-2000m。 大陆隆：即大陆裾、大陆基，是自大陆坡麓缓慢倾向洋底的扇形地，水深 2000-5000m。大陆隆沉积物厚度巨大、贫氧状态、富含有机质，压力大，具备生成油气条件，可能是海底 油气资源的远景区。 活动型大陆边缘：与现代板块的汇聚型边界相一致，是全球最强烈的构造活动带，集中分布在太平洋东西两侧。其最大特征是强烈而频繁的地震和火山活动。造成海沟。 大洋底：处于大陆边缘之间，是大洋的主体，由大洋中脊和大洋盆地两大单元构成。 大
17、洋中脊：即中央海岭，指贯穿四大洋、成因相同、特征相似的海底山脉系列，全长 65kkm、顶部水深 23 km、高出盆地 13 km，有的露出海面成为岛屿，面积占洋底的 32.8%，是世界上规模最巨大的环球山系。 大洋盆地：大洋中脊坡麓与大陆边缘之间的广阔洋底，约占世界海 洋面积的 1/2。大洋盆地中的一些隆起进一步把大洋盆地分割成许多次一级盆地，大洋盆地一般水深 46km，局部超过 6km。 海底构造学说 板块构造学说 （ 以海底扩张说为基础 ） 是大陆漂移和海底扩张的引伸和发展。 魏格纳，从大西洋两岸的弯曲形态受到启发，于 1912 年提出了大陆漂移的见解， 1915 年著成海陆的起源，全面系
18、统地论述了大陆漂移问题。 大陆漂移 概要：地球上所有大陆在中生代以前是统一的联合古陆，或称泛大陆 (Pangaea)，其周围是围绕泛大陆的全球统一海洋 泛大洋。中生代以后，联合古陆解体、分裂，其碎块 即现代的各大陆块逐渐漂移到今日所处的位置。由于各大陆分离、漂移，逐渐形成了大西洋和印度洋，泛大洋 (古太平洋 )收缩成为现今的太平洋。 大陆漂移的主要依据有海岸线形 态、地质构造、古气候和古生物地理分布等。 海底扩张和板块构造学说的创立再赋予大陆漂移说以新的认识。 海底扩张模式可以表述如下：大洋中脊轴部裂谷带是地幔物质涌升的出口，涌出的地幔物质冷凝形成新洋底，新洋底同时推动先期形成的较老洋底逐渐向
19、两侧扩展推移，这就是海底扩张。海底扩展移动速度大约为每年几厘米。 一种是扩张着的洋底同时把与其相邻接的大陆向两侧推开，大陆与相邻洋底镶嵌在一起随海底扩张向同一方向移动，随着新洋底的不断生成和向两侧展宽，两侧大陆间的距离随之变大，这就是海底扩张说对大陆漂移的解释。大西洋及其两侧大陆就属于这种形式。 另一种方式是洋底扩展移动到一定程度便向下俯冲潜没，重新回到地幔中去，相邻大陆逆掩于俯冲带上。 洋底的俯冲作用导致沟 -弧体系的形成，太平洋就是这种情况。洋底处在不断新生、扩展和潜没的过程中，好似一条永不止息的传送带，大约经过 2 亿年洋底便可更新一遍。 洋底生成 运动 潜没的周 期不超过 2 亿年，驱
20、使洋底周期性扩张运动的原动力是地幔物质对流。其中，大洋中脊体系的中央裂谷带对应于地幔对流的涌升发散区，宽广的大洋盆地对应于海底扩张运动区，海沟则相当于对流的下降汇聚区。由于洋底周期性地更新，尽管海水古老，但洋底总是年轻的。因接受沉积作用时间短，总体上沉积物厚度较薄，且从中脊轴向大洋边缘呈逐渐增厚趋势。 地球最上部被划分为岩石圈和软流圈。软流圈在缓慢而长期的作用力下，会呈现出塑性或缓慢流动的性质。因此岩石圈可以漂浮在软流圈之上作侧向运动。 地球表层刚性的岩石圈并非“铁板一块”，它被一系列构 造活动带 (主要是地震活动带 )分割成许多大小不等的球面板状块体，每一个构造块体就叫岩石圈板块，简称板块。
21、 全球可划分为七个板块 ：欧亚板块、太平洋板块、 非洲板块、印度 -澳大利亚板块 ，北美板块， 南美板块 ， 南极洲板块 板块内部是相对稳定的，很少发生形变；而板块边界则是全球最活动的构造带，全球地震能量的 95是通过板块边界释放的。 根据板块边界上的应力特征，参考其地质、地貌、地球物理及构造活动特点，可将板块边界划分为拉张、挤压和剪切三种基本类型。 驱动板块运动的原动力来自地球内部，一般认为地幔物质对流是板块运动的原动力，它借助岩石圈底部的粘滞力带动上覆板块运移，板块被动地驮伏在对流体上发生大规模运动。 集大陆漂移和海底扩张说为一体的板块构造理论能够比较成功地解释几乎所有地质现象，特别是全球
22、性的构造特征和形成机理。 滨海：或称近岸带环境，是指从特大高潮线至深度为浅水波半波长的区域，是海洋和非海洋过程相互作用的地带。 海洋过程受波浪、潮汐、海流等因素控制，非海洋过程受河流径流量、流速及固体载荷的性质和数量等因素的制约。 海滨沉积包括海滩沉积、潮坪沉积、砂 坝 -泻湖沉积、河口湾沉积、三角洲沉积。 海滩是沿岸分布的疏松沉积物堆积体，在近岸沉积环境中分布广泛。海滩发育主要受波浪控制，波浪破碎产生的冲流及回流塑造了海滩剖面。 海滩的组成物质多来自邻近陆地，主要是河流自流域内搬运来的风化产物，海岸侵蚀是海滩物质的最直接来源，另外还有自内陆架向岸搬运的沉积物 潮坪沉积：以潮汐为主要动力，坡度
23、极平缓 (317)，由细碎屑物质 (粘土、粉砂 )组成的近岸带。 潮坪多呈带状延伸，在开阔海的边缘规模较大。我国江苏沿岸的潮坪最长 三角洲沉积作用 三角洲是河流携带的泥沙等物质在海 滨 (湖 )地带形成的堆积体。决定三角洲发育和沉积物分布的主导因素是河口水流 (径流量和输沙量 )、潮汐、潮流、波浪。径流量和输沙量是三角洲形成的物质基础。 大陆架沉积 大陆架为浅海环境，其沉积作用和沉积相受各种物理、化学、生物及地质作用等过程的影响。如泥沙搬运，海解、逆风化、沉淀，摄食、掘穴，海面变化等。 现代陆架上三种主要沉积物：残留沉积、现代沉积、准残留沉积 石油是一种成分复杂的碳氢化合物的混合物，在自然界中
24、以液体存在称为石油，以气体存在称为天然气。 世界海底油气藏主要分布在被动大陆边缘的沉积盆地中，而主动 大陆边缘较少。 锰结核主要由铁锰的氧化物和氢氧化物组成，并富含铜、镍、钴、钼和多种微量元素，广泛分布于深海大洋盆底表层。 富钴结壳是一种生长在海底硬质基岩上的富含锰、钴、铂等金属元素的“壳状”沉积物，其中钴的含量特别高。 思 考 题 1. 说明全球海陆分布特点以及海洋的划分。 2. 什么是海岸带？说明其组成部分是如何界定的。 3 什么是大洋中脊体系，它有哪些主要特点？ 4 简述大陆漂移、海底扩张与板块构造的内在联系与主要区别。 5 滨海沉积环境主要有哪些？说明各自沉积作用的控制因素及沉积特点。
25、 我国 海峡 ： 渤海海峡、台湾海峡、琼州海峡。 中国有大小岛屿 6000 多个，总面积约 8 万平方公里，占全国领土总面积的 0.8。 中国的岛屿按其成因可分为大陆岛、冲积岛、火山岛和珊瑚岛四类。 大陆岛 ： 如台湾岛、海南岛等 冲积岛 ： 崇明岛 火山岛 ： 澎湖列岛的大部分 中国的珊瑚岛主要分布在南海中 中国岛屿众多，但各岛屿的面积一般都较小 ， 超过 200 平方公里的只有 8 个（台湾岛、海南岛、崇明岛、舟山岛、平坛岛、东山岛、东海岛及长兴岛）。 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 海水中的含盐量是海水浓 度的标志，引进了“盐度 ”以近似地表示海
26、水的含盐量。 海水的热性质 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。 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 Jkg-1 -1。 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 h0，即 T
27、升高时海水收缩。 海水的 h 比空气小得多，故海水 T 变化海水密度变化，进而导致海水的运动速度远小于空气。 压缩系数：压力增加 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。 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。 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
28、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。 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
29、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。 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
30、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。 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 Wm-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 Wm-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
31、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 102103。 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。 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 (湍流 )，在两层海水间便有动量传递，从而产生切应力。 摩擦 (切 )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t=m*u/n，式中 n 为海水界面法线方向， u 为流速， m 称为动力 (学 )粘滞系数 (粘度 )，单位记 Pas； m/r 称为运动 (学 )粘滞
32、系数，单位记 m2s -1。 m 随盐度增大略有增大，但随温度升高却迅速减小。 单纯由分子运动引起的 m 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，分子粘滞应力起着重要作用。分子粘滞系数只取决于海水性质，而涡动粘滞系数则与海水运动状态有关。 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，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。 海水渗透压对海洋
33、生物有很大影响，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，所以对盐度的适应范围不同，这是海洋生物学家们所关注的问题。 海水与淡水之间的渗透压，依理论计算可达水位差约 250m 的压力。 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，这就是表面张力。 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。 表面张力对水面毛细波的形成起着重要作用。 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。 海水密度是盐度、温度和压力的
34、函数，常书写成 r(S,T,P) 形式。 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。 海面 (P=0)的海水密度仅为盐度和温度的函数，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。 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。 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
35、 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。 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。 “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( )的关系为 r(S,T,0)=rw+AS+BS3/2+CS2 上式中 A=8.2449310-1-4.089910-3T+7.643810-5T2 -8.246710-7T3+5.387510-9T4 B=-5.7246610-3+1.
36、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。 海水状态方程的应用：可直接应用于计算海水密度，此外，还可计算海水热膨胀系数、压缩系数、声速、绝热梯度、位温、比容偏差以及比热容随压力的变化等。 海洋热量来自太阳辐射能，几乎全部通过海 -气界面到达海洋。 通过海底向大洋输送的热量， 除个别热活动强烈区域外，影响不大；海洋内部放射性物质裂变、生物化学
37、过程及海水运动所释放的热能更是微不足道，故对整个海洋而言，在考虑其热平衡时都可忽略不计。当然，在研究极小尺度的海洋空间时则另当别论。 世界大洋的平均温度在几十 几百年的时间尺度内并未变化，可认为海洋获得的热量与失去的热量相同，这种收支主要通过海面进行。 通过海面热收支的主要因子有：太阳辐射 (Qs)、 海面有效回辐射 (Qb)、 蒸发或凝结潜热 (Qe)及海气间的感热交换 (Qh)，即 Qw=Qs-QbQeQh Qw 为通过海面的热收支余项，整体、长期而言应 Qw=0，但局部 、短时则 Qw 0。Qw 0，海水获热； Qw 0，海洋失热。 太阳辐射总量在一月或一年中的分布变化，对整个世界大洋水
38、温的分布与变化有极大的影响。 北半球夏季 (6 月 )，太阳高度随纬度增加而变低，海洋所受太阳辐射能随纬度增高而减少，但其日照时间却加长，两者的辐射量相反，故总辐射量的纬度差异不显著，即梯度较小。 北半球冬季 (12月 )，太阳高度随纬度增高迅速变低，北极圈内甚至出现 24小时黑夜，即无日照，两者共同作用使辐射总量随纬度增高迅速减少，赤道至高纬之间辐射量梯度很大。辐射量的这种冬夏变化是导致北半球大洋水温南北方向的梯度冬季大于夏季的主要原因。 月总辐射量最大值出现在副热带海域，这与太阳高度大、同时又与副热带高压区云量少直接相关。赤道海域因云量较多而减少了辐射量，而高纬海区尽管夏季辐射量大，但因冰
39、雪融化，消耗大量热量，故水温仍然很低，年中变幅不大。 海洋在吸收太阳辐射同时，也向大气辐射能量，世界大洋表温平均 17.4 ，由恩维定律 l=2898/(273+17.4)=10mm，故称长波辐射。 海面长波辐射之大部为大气之水汽和 CO2吸收，连同大气吸收太阳辐之能量，同时也以长波形式向四周辐射，向上部分进入太空，向下部分称为大气回辐射，几乎全部被海洋吸收。所谓海面有效回辐射，即指海面长波辐射与大气回辐射 (长波 )之差。 大气均温 13.7 ，比海面温度低，海面长波辐射量值大于大气回辐射，交换结果恒为海洋失去热量。 海面有效回辐射取决于海面水温，海上水汽量和云之特征。 相对湿度一定时，海面
40、有效回辐射随温度升高而减小。因为海面温度升高虽然使海面长波辐射增大，但同时海面上水汽量也增加，且随温度升高呈指数增加，结果大气回辐射比海面长波辐射增大更快，从而使海面有效回辐射减小。同理，温度一定时，海面有效回辐射随相对湿度增大而减小。 天空有云时，大气回辐射强，海面有效回辐射减小。这正是冬季早晨阴天时比晴天时暖和的原因。 由于海面水温和海洋上方相对湿度的日、年变化相对较小，故海面有效回辐射的地理、季节变化也较小。平均而言，全球的太阳辐射 Qs 比海面有效回辐射 Qb 大，故Qs-Qb 0， 这部分热盈余称辐射平衡，以其它方式返回大气。 海面蒸发使海水变成水汽，海洋部分热量以潜热形式进入大气；
41、水汽凝结时又将热量释放出来，但几乎全部留在大气中，故蒸发只能使海洋耗热。 海洋每年蒸发掉约 125cm 厚海水，蒸发潜热很大，约占世界大洋辐射平衡热盈余的 90。 蒸发速率与近海面水汽铅直梯度成比例。贴海面水汽量通常视为饱和，其上部水汽量越少越有利于水汽向上扩散，使蒸发得以继续进行。故上部气层铅直方向的水汽压差，是维持海水蒸发的先决条件。 海面水温 Tw 与近海面气温 Ta 之差与蒸发速率有着密切关系。 Tw Ta 时，海洋向大气传导热量，使近海面气温升高，发生热力对流，将水汽源源向上输送，作为补偿，水汽量少、温度低的上部空气下沉至海面；与此同时，海面降温、增密下沉，而下层的相对高温水升至海面。此过程维持海气温差持续存在，故 Tw Ta 引起的海气热力对流过程使蒸发不断地进行。 Tw Ta 时，由于大气向海洋传导热量，使近海面气温降低，气层层结稳定，同时海面升温，也产生稳定层结。由于近海面水汽不能迅速地向上输送，甚至发生凝结，以致蒸发停止。 沿岸近海春末夏初的海雾，即为暖空气流过冷海面所致。秋末冬初正好相反，是一年中 蒸发最强季节。 实际海洋中，风对蒸发过程起巨大促进作用。海上风常以湍流形式存在，极大地加强海气间热传导，同时将近海面水汽迅速外输，加快蒸发。另，风致海浪，又增大了蒸发面，波浪破碎还直接将海水输向大气。
