ch03海水物理性质

1 第三章第三章 海水物理性质海水物理性质 vv第一节第一节 海水组成海水组成 vv第二节第二节 海水的物理性质海水的物理性质 （淡水和海水）（淡水和海水） vv第三节第三节 温、盐、密概念及之间关系温、盐、密概念及之间关系 vv第四节第四节 海冰海冰 第一节第一节 海水组成海水组成 vv 海水组成：海水组成： 1111种种主要主要无机盐无机盐，，99.99%99.99% 第二节第二节海水的物理性质海水的物理性质 一、淡水一、淡水 vv 分子结构分子结构：极性，分子缔合力：极性，分子缔合力 vv 溶解力强溶解力强（极性）（极性） vv 密度变化异常密度变化异常：：““热胀冷缩热胀冷缩””？？ vv 沸点和融点、比热、蒸发潜热等沸点和融点、比热、蒸发潜热等 热性质比氧的同族化合物高热性质比氧的同族化合物高 分子结构 溶解性 二、海水的热力学性质二、海水的热力学性质 热容、比热容：热容、比热容： vv 热容热容：海水温度升高：海水温度升高 1K1K所吸收的热量。单位：所吸收的热量。单位： （（J/KJ/K）） vv 比热容比热容：单位质量海水的热容。单位：：单位质量海水的热容。单位： J/(K J/(K kg)kg) vv 海水的比热容比空气的比热容大海水的比热容比空气的比热容大 比热：水：比热：水：3890J/kg.K3890J/kg.K，空气：，空气：1000J/kg.K1000J/kg.K 密度：水：密度：水： 1025kg/m1025kg/m33，空气：，空气：1.29kg/m1.29kg/m33 海洋是大气的空调器海洋是大气的空调器 2 vv 热膨胀：热膨胀系数热膨胀：热膨胀系数((温度升高温度升高1K1K单位体积单位体积 海水的增量海水的增量))，是，是TT、、SS、、PP的函数。由正转的函数。由正转 负对应的密度最大。负对应的密度最大。 vv 压缩性压缩性 在研究中通常视为不可压流体。在研究中通常视为不可压流体。 vv 绝热变化绝热变化：绝热下沉，温度升高：绝热下沉，温度升高 绝热上升，温度下降绝热上升，温度下降 位温：位温：比现场比现场温温度低度低 vv 蒸发蒸发潜热潜热和饱和水汽压和饱和水汽压 vv 比蒸发潜热：比蒸发潜热：1Kg1Kg水变成同温度汽所吸收水变成同温度汽所吸收 的热量。的热量。 vv 饱和水汽压：水变汽和汽变水过程达动态饱和水汽压：水变汽和汽变水过程达动态 平衡时具有的水汽压。平衡时具有的水汽压。 vv 热传导：相邻海水温度不同时，热量由高热传导：相邻海水温度不同时，热量由高 温向低温转移。分子热传导，湍动热传导温向低温转移。分子热传导，湍动热传导 vv 沸点升高、冰点降低沸点升高、冰点降低：：冰点冰点温度温度随盐度的随盐度的 增加而降低。增加而降低。 三、海水的其他物理性质三、海水的其他物理性质 vv 粘滞性：摩擦粘滞性：摩擦 vv 渗透压：随盐度的增加而增大渗透压：随盐度的增加而增大 三、海水的其他物理性质三、海水的其他物理性质 vv 面张力：液体的自由面上，由于分子之间表面张力：液体的自由面上，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。的吸引力所形成的合力使自由表面趋向最小。 随温度的增高而减小，随盐度的增大而增大。随温度的增高而减小，随盐度的增大而增大。 vv 导电性：介于纯水和铜之间导电性：介于纯水和铜之间 电导率随温度、盐度和压力的增加而增大电导率随温度、盐度和压力的增加而增大 压力和温度一定时，电导与盐度有一定的压力和温度一定时，电导与盐度有一定的 函数关系。函数关系。 第三节第三节 温、盐、密概念及温、盐、密概念及 之间关系之间关系 ll 温度温度 描述物质分子热运动的量度。描述物质分子热运动的量度。 热力学温度热力学温度 T=273+tT=273+t 摄氏温度摄氏温度 tt 华氏温度华氏温度 F=32+F=32+ (t(t××9/5)9/5) ll海水的盐度海水的盐度 海水中的含盐量是海水浓度的标志海水中的含盐量是海水浓度的标志 ll基于化学方法的盐度的首次定义基于化学方法的盐度的首次定义 ll19691969年电导盐度年电导盐度定义定义 ll19781978年实用盐度标度年实用盐度标度 3 盐度盐度 vv 盐度盐度(1902(1902))：化学方法：化学方法 1kg1kg海水中将海水中将(Br(Br--,I,I--))以氯置换，碳酸盐分解为以氯置换，碳酸盐分解为 氧化物氧化物,,有机物全部氧化有机物全部氧化,,所余固体物质的总克所余固体物质的总克 数。数。(480(480度加热度加热4848小时）小时） vv 符号：符号：SS‰‰，单位，单位g/kgg/kg vv 第一次给出盐度的准确定义。操作复杂，时间长。第一次给出盐度的准确定义。操作复杂，时间长。 vv 克努森盐度：克努森盐度公式： SS‰‰=0.030+1.8050 cl=0.030+1.8050 cl‰‰ 盐度盐度 vv 盐度盐度(1969)(1969)：电导盐度：电导盐度 SS‰‰=1.80655Cl=1.80655Cl‰‰ vv 符号：符号：SS‰‰，单位，单位g/kgg/kg vv 电导法电导法 vv 精度高，速度快，但通过氯度滴定确定精度高，速度快，但通过氯度滴定确定 å = = 5 0 150% i i i RaS å = = 5 0 0000.35 i ia 盐度盐度 vv 实用盐标实用盐标PSSPSS（（19821982）：测定海水的电导率）：测定海水的电导率 vv 符号：符号：SS，，单位：无量纲单位：无量纲 vv 速度快，便于计算机计算速度快，便于计算机计算 2/ 15 5 0 i i i KaS å = = 0.35 5 0 =å =i ia1)0,15,4356.32( )0,15,35( 15 == C CK 固定参考点: 标准氯化钾溶 液（32.435‰） 密度密度 vv 密度和比容密度和比容::单位体积物体的质量是密度；单单位体积物体的质量是密度；单 位质量物体的体积是比容；他们都是位质量物体的体积是比容；他们都是温盐压温盐压 函数函数。。 kg/mkg/m33 vv Knudsen Knudsen 参数参数: : g/cmg/cm33 vv 密度超量：密度超量： kg/mkg/m33 vv 状态方程状态方程::描述海水温、盐、压、密等理化特描述海水温、盐、压、密等理化特 征参量之间关系的数学表达式。征参量之间关系的数学表达式。 pts ,,r 310)1( ´-= rs 1000-= rg ••海冰定义海冰定义 ••海冰的形成海冰的形成 ••海冰分类海冰分类 ••海冰的物理性质海冰的物理性质 ••海冰与海况海冰与海况 ••海冰的时空分布海冰的时空分布 ••我国海冰冰情我国海冰冰情 ••海冰与气候海冰与气候 ••海冰的危害海冰的危害 第四节第四节 海冰海冰 一、海冰定义：一、海冰定义： ••广义：在海洋中所见到的冰统称为海冰。广义：在海洋中所见到的冰统称为海冰。 ••狭义：由海水冻结而成的冰称为海冰。狭义：由海水冻结而成的冰称为海冰。 ••海冰研究的意义：海冰研究的意义： ••世界大洋约有世界大洋约有 33～～4%4%的面积被海冰覆盖，对船舶 航行、海的面积被海冰覆盖，对船舶 航行、海 底采矿及极地海洋考察等形成严重障碍，甚至造成灾害。底采矿及极地海洋考察等形成严重障碍，甚至造成灾害。 ••海冰对海洋水文状况有重要的影响。海冰对海洋水文状况有重要的影响。 ••海冰对全球气候、热量平衡、水量平衡有重要影响。海冰对全球气候、热量平衡、水量平衡有重要影响。 ••海冰对未来人类淡水供应有重要的潜在价值。海冰对未来人类淡水供应有重要的潜在价值。 海冰海冰 4 二、海冰的形成： 11、、TTff、、TTmaxmax与盐度关系与盐度关系 vv 均是盐度的函数，随盐度的增加均是盐度的函数，随盐度的增加 而降低，盐度为而降低，盐度为24.69524.695时二者均时二者均 是是--1.331.33ººC.C. 22、结冰过程、结冰过程 vv 结冰条件：冰点温度，结晶核结冰条件：冰点温度，结晶核 vv 淡水结冰：表层开始结冰。淡水结冰：表层开始结冰。 vv 海水结冰：当盐度大于海水结冰：当盐度大于24.69524.695时，海水冰点高于最大密度温时，海水冰点高于最大密度温 度，只有当对流混合层的温度同时达到冰点时，海水才会结冰度，只有当对流混合层的温度同时达到冰点时，海水才会结冰 vv 海水结冰的特点：主要是纯水的冻结，盐分大部排出冰外，增海水结冰的特点：主要是纯水的冻结，盐分大部排出冰外，增 大了冰下海水的盐度，加强了冰下海水的对流和进一步降低了大了冰下海水的盐度，加强了冰下海水的对流和进一步降低了 冰点；同时冰层阻碍了其下海水热量的散失，从而大大减缓了冰点；同时冰层阻碍了其下海水热量的散失，从而大大减缓了 冰下海水继续冻结的速度；冰下海水继续冻结的速度；海冰表面比较粗糙。海冰表面比较粗糙。 ((一一))按发展阶段：按发展阶段： ll初生冰：针状或薄片状的细小冰晶初生冰：针状或薄片状的细小冰晶 ll尼罗冰：尼罗冰：10cm10cm左右有弹性的薄冰层，在外力的作用左右有弹性的薄冰层，在外力的作用 下，易弯曲，易被折碎成长方形冰块。下，易弯曲，易被折碎成长方形冰块。 ll饼状冰：直径为饼状冰：直径为30cm30cm至至3m3m，厚度在，厚度在10cm10cm左右的圆形左右的圆形 冰盘。冰盘。 海冰 三、海冰分类 ((一一))按发展阶段：按发展阶段： ll初期冰初期冰 ll由尼罗冰或冰饼直接冻结一起而形成厚约由尼罗冰或冰饼直接冻结一起而形成厚约(10(10～～30)cm30)cm的的 冰层。多呈灰白色。冰层。多呈灰白色。 ll一年冰一年冰 ll由初期冰发展而成的厚冰，厚度为由初期冰发展而成的厚冰，厚度为30cm30cm至至3m3m。。时间不超时间不超 过一个冬季。过一个冬季。 ll多年冰多年冰 ll至少经过一个夏季而未融化的冰。其特征是，表面比一至少经过一个夏季而未融化的冰。其特征是，表面比一 年冰平滑。年冰平滑。 海冰 三、海冰分类 ((二二))按运动状态划分：按运动状态划分： ll 固定冰固定冰 ll与海岸、岛屿或海底冻结在一起的冰。与海岸、岛屿或海底冻结在一起的冰。 ll 流冰流冰 ll自由浮在海面上，能随风、流漂移的冰称为流冰。自由浮在海面上，能随风、流漂移的冰称为流冰。 ll特点：特点：大小不一、厚度各异大小不一、厚度各异；； ll例外：例外：由大陆冰川或冰架断裂后滑入海洋且高出海面由大陆冰川或冰架断裂后滑入海洋且高出海面5m5m 以上的巨大冰体以上的巨大冰体————冰山，不在其列。冰山，不在其列。 开阔水面开阔水面, , 稀疏流冰稀疏流冰, , 密集流冰密集流冰 海冰 海冰分类 海冰 海冰的分类海冰的分类 海冰 四、海冰的物理性质 •1、海冰的盐度：海冰融化后的盐度为 海冰的盐度。 •海冰盐度与结冰速度 •结冰前海水盐度 •冰龄有关。 5 22、、海冰的密度海冰的密度 ll海冰的密度小于海水的密度，其大小在很大海冰的密度小于海水的密度，其大小在很大 程度上取决于其中的空气量和盐量。程度上取决于其中的空气量和盐量。 ll纯水冰：纯水冰：0000CC，，ρρ=918 =918 kg/mkg/m33 ll海冰：海冰： ll新冰：新冰：915915－－914 914 kg/mkg/m33 ll夏末：夏末：860 860 kg/mkg/m33 ll长方体冰会有长方体冰会有11/10/10在水面以上，在水面以上，9/109/10在水面在水面 以下。以下。 海冰 海冰的物理性质 33、海冰的热传导、海冰的热传导 ll 海冰的热传导系数小于纯水冰的海冰的热传导系数小于纯水冰的 热传导系数。热传导系数。 ll 海冰的热传导系数小于海水的热海冰的热传导系数小于海水的热 传导系数。传导系数。 ll““海洋皮袄海洋皮袄”” 海冰 海冰的物理性质 44、其他、其他 ll 海冰的比热容比纯水冰大，且随盐度的海冰的比热容比纯水冰大，且随盐度的 增高而增大增高而增大 ll 海冰的抗压强度约为纯水冰的海冰的抗压强度约为纯水冰的 3/4 3/4 ll 海冰对太阳辐射的反射率远比海水的大海冰对太阳辐射的反射率远比海水的大 海冰 海冰的物理性质 11、、对水文要素垂直分布的影响对水文要素垂直分布的影响 ll水文要素垂直分布水文要素垂直分布（（S.T.S.T.等）比较均匀。等）比较均匀。 ll表层高溶解氧的海水向下输送。表层高溶解氧的海水向下输送。 ll底层富营养盐类海水向上输送。底层富营养盐类海水向上输送。 ll融冰时，表面出现低盐水，出现盐度跃层和由于融冰时，表面出现低盐水，出现盐度跃层和由于 表层增温及淡化，出现密度跃层；航海中称之死表层增温及淡化，出现密度跃层；航海中称之死 水现象水现象 ll形成大洋底层水：形成大洋底层水：冬季，在南极因为大量结冰，冬季，在南极因为大量结冰， 使其冰下的海水有低温高盐高密的性质，沉降到使其冰下的海水有低温高盐高密的性质，沉降到 深层，沿大陆架向下滑动，形成南极底层水。深层，沿大陆架向下滑动，形成南极底层水。 海冰海冰 五、五、海冰与海况海冰与海况 22、、 对海水运动的影响对海水运动的影响 ll减小温度年变幅减小温度年变幅 ll减慢流速度减慢流速度 ll降低波高降低波高 ll阻尼了潮汐和潮流阻尼了潮汐和潮流 海冰 海冰与海况 海冰 六、 海冰的时空分布 时间分布：时间分布： ll 11、大尺度：海冰的分布随地质年代而变化，大、大尺度：海冰的分布随地质年代而变化，大 体隔体隔2.52.5亿年就有一个大冰期。期间又有小冰期。亿年就有一个大冰期。期间又有小冰期。 ll 22、小尺度：海冰的空间分布随季节而变化。、小尺度：海冰的空间分布随季节而变化。 空间分布：空间分布： ll高纬海区特有的海洋水文现象。高纬海区特有的海洋水文现象。 ll北冰洋北冰洋和南极洲是地球上海冰最集中的地区。和南极洲是地球上海冰最集中的地区。 ll在北冰洋边缘的附属海在北冰洋边缘的附属海,,以及白令海、鄂霍茨克以及白令海、鄂霍茨克 海、日本海、波罗的海以及中国的渤海和黄海海、日本海、波罗的海以及中国的渤海和黄海 每年冬季都有海冰出现每年冬季都有海冰出现。。 6 海冰 海冰分布 北冰洋北冰洋 ll 北冰洋终年被海冰覆盖；北冰洋终年被海冰覆盖； ll 33～～44月覆盖面积最大，约占北冰洋面积的月覆盖面积最大，约占北冰洋面积的8585%%；； ll 88～～99月覆盖面积最小，约为北冰洋面积的月覆盖面积最小，约为北冰洋面积的53% 53% ；； ll多年冰的厚度一般为多年冰的厚度一般为33～～4m4m；； ll格陵兰格陵兰是北半球主要的冰山发源地，每年约有是北半球主要的冰山发源地，每年约有75007500座座 冰山由此进入海洋，仅随拉布拉多寒流进入大西洋的冰山由此进入海洋，仅随拉布拉多寒流进入大西洋的 就有就有388388座座//年，其中约年，其中约5%5%到达到达4848°°NN，，0.5%0.5%可达可达 4242°°NN。。冰山的平均界限为冰山的平均界限为4040°°NN。。个别冰山曾穿过个别冰山曾穿过 湾流抵湾流抵3131°°NN海域。海域。 海冰 海冰分布 南极洲南极洲 ll 南极大陆是世界上最大的天然冰库，周围海域终年被冰覆南极大陆是世界上最大的天然冰库，周围海域终年被冰覆 盖盖；； ll 覆冰面积覆冰面积：暖季：暖季(3(3～～44月月) ) 为为(2(2～～4)4)××101066kmkm22，，寒季寒季(9(9月月))达达 (18(18～～20)20)××101066kmkm22；； ll 南极大陆周围为固定冰架，一年冰的厚度多为南极大陆周围为固定冰架，一年冰的厚度多为(1(1～～2)m2)m；； ll 冰层厚度冰层厚度平均为平均为1700m1700m，最厚达，最厚达4000m4000m，， ll 南大洋海域经常有南大洋海域经常有2222万座冰山在海上游弋，曾观测到长万座冰山在海上游弋，曾观测到长 335km335km，，宽宽97km97km的大冰山的大冰山；； ll 南大洋中南大洋中冰山的平均寿命冰山的平均寿命为为1313年，是北半球冰山平均寿命年，是北半球冰山平均寿命 的的44倍多倍多；； 七、我国海冰冰情 •渤海、北黄海北部结冰，渤海最甚，历史最厚120cm •从11月中旬－12月下旬，由北向南，由岸边向深水 开始结冰。2月下旬－三月中旬，由南向北消失 •冰期为3－4个月，可分为初冰期、盛冰期、终冰期。 •厚度： 北部：多为20－40cm,最大60cm. 南部：多为10－30cm,最大40cm. •异常冰情 重冰年：1936，1947，1969 轻冰年：1935，1941，1954，1973 渤海大冰封 海冰 八、海冰与气候 11、调节季节气候、调节季节气候 ll 结冰季节，结冰过程释放结晶热，平抑季节气温的结冰季节，结冰过程释放结晶热，平抑季节气温的 降低；降低； ll 融冰季节，融冰过程吸收热，平抑季节气温的升高融冰季节，融冰过程吸收热，平抑季节气温的升高 22、调节冰期气候、调节冰期气候 ll 冰期来临，结冰过程释放结晶热，平抑冰期气温的冰期来临，结冰过程释放结晶热，平抑冰期气温的 降低；降低； ll 冰期过去，融冰过程吸收热，平抑冰期气温的升高冰期过去，融冰过程吸收热，平抑冰期气温的升高 九、海冰的危害九、海冰的危害 封锁港口和航道，阻断海上运输，毁坏封锁港口和航道，阻断海上运输，毁坏 海洋工程设施和船只海洋工程设施和船只 冰山是航海的大敌冰山是航海的大敌 海上活动几乎全部停止海上活动几乎全部停止 7 冰期来临，低纬度大量的水转化为冰，覆盖在高纬度冰期来临，低纬度大量的水转化为冰，覆盖在高纬度 地区，使全球海平面下降；地区，使全球海平面下降； ll 沧海变桑田沧海变桑田 ll 东海扬尘东海扬尘 冰期过去，高纬度大量的冰转化为水，流进世界大冰期过去，高纬度大量的冰转化为水，流进世界大 洋，使全球海平面上升；洋，使全球海平面上升； ll 桑田变沧海桑田变沧海 ll 华东扬波华东扬波 ll 1010万～万～77万，海平面曾出现现在的高度，海岸线处现位置。万，海平面曾出现现在的高度，海岸线处现位置。 ll 77万～万～44万，变冷为早玉木冰期，海平面下降万，变冷为早玉木冰期，海平面下降120120米，渤黄海完米，渤黄海完 全裸露，出现全裸露，出现““古东海大平原古东海大平原””黄河口东移。黄河口东移。 ll 55～～44万年，温度回升，再次出现现在的海面高度。万年，温度回升，再次出现现在的海面高度。 ll 33万年，最暖，水位回升，海水淹至河北沧州地区。万年，最暖，水位回升，海水淹至河北沧州地区。 ll 1.51.5万年前万年前 海面下降海面下降160160米为晚玉木冰期再现黄东海大平原。米为晚玉木冰期再现黄东海大平原。 ll 0.60.6万年以后转暖万年以后转暖 ，冰期消融，海平面上升，至，冰期消融，海平面上升，至60006000～～70007000 年，淹没河北、江苏大批土地。年，淹没河北、江苏大批土地。 ll 以后转冷，以后转冷，海面下降。海面下降。 冰期与海平面