第三章海水的物理特性和世界大洋的層化結(jié)構(gòu)

§3.1海水的主要熱學和力學性質(zhì)3.1.1海水組成(ConstituentsofSeawater)

一、海水組成(ConstituentsofSeawater)：

11種主要無機鹽，占99.99%；

海水：混合溶液=淡水+無機鹽+有機物+懸浮質(zhì)+……

二、海水組成恒定性原理

(Principleofconstantproportion)

Marcet原理或Dittwar定律

無論海水所溶解的鹽類的濃度大小如何，其中常量離子間比值總是恒定的。

(Regardlessofvariationsinsalinity,theratiosbetweentheamountofmajorionsinopen-oceanwaterareconstant.)

3.1.2海水的物理性質(zhì)

一、淡水(Freshwater)

分子結(jié)構(gòu)(Molecularstructure)：極性，分子締合力

溶解力強：水分子有很強的極性

密度變化異常：

不遵從“熱脹冷縮”。最大密度時溫度是4攝氏度沸點(boilingpoint)和融點(melting

point)、比熱(specificheat)、蒸發(fā)潛熱(latentheatofvaporization)等熱性質(zhì)比氧的同族化合物高

二、海水的熱力學性質(zhì)

(Energeticpropertyofseawater)

熱容(seatcapacity)、比熱容(specificheat)

熱容(heatCapacity)：海水溫度升高1K所吸收的熱量。（單位：J/K）

比熱容((specificheatcapacity))：單位質(zhì)量海水的熱容。單位：J/(Kkg)

定壓比熱Cp:在一定壓力下測定的比熱容。

定容比熱Cv:在一定體積下測定的比熱容。

二者皆是溫(T)、鹽(S)、壓(P)的函數(shù)。Cp在海洋學中較常用，比Cv值略大。Cp值隨鹽度的增高而降低，隨溫度的變化比較復雜，低溫、低鹽時隨溫度升高而減小，高溫、高鹽時隨溫度升高而增大。

2)熱膨脹

熱膨脹系數(shù):溫度升高1K單位體積海水的增量。是T、S、P的函數(shù)。

海水的熱膨脹系數(shù)比純水的大，且隨溫度、鹽度和壓力的增大而增大；在大氣壓力下，低溫、低鹽海水的熱膨脹系數(shù)為負值，說明當溫度升高時海水收縮。由正轉(zhuǎn)負對應的密度最大。3)壓縮性(Compressibility)、絕熱變化，位溫(PotentialTemperature)

壓縮系數(shù)：單位體積海水，壓力增加1Pa體積的負增量。

若海水微團在被壓縮時，因和周圍海水有熱量交換而得以維持其水溫不變，則稱為等溫壓縮。若海水微團在被壓縮過程中，與外界沒有熱量交換，則稱為絕熱壓縮。海水的壓縮系數(shù)隨溫度、鹽度和壓力的增大而減小。

絕熱變化：絕熱提升時，壓力減小，體積膨脹，對外做功，消耗內(nèi)能導致溫度降低；絕熱下沉時，壓力增加，體積減小，對力對海水微團做功，增加期內(nèi)能使溫度增加。

位溫(potentialtemperature)：某一深度海水絕熱上升到海面時溫度稱該深度海水的位溫。比現(xiàn)場溫度低4)蒸發(fā)潛熱(latentheatofvaporization)

和飽和水氣壓

比蒸發(fā)潛熱:使單位質(zhì)量海水化為同溫度的蒸汽所需的熱量，稱為海水的比蒸發(fā)潛熱，以L表示，單位是焦耳每千克或每克,記為J/kg或J/g。(Theheatneededforachangebetweentheliquidandvaporstatesisthelatentheatofvaporization.)

飽和水氣壓:

是指水分子由水面逃出和同時回到水中的過程達到動態(tài)平衡時，水面上水汽所具有的壓力。5)熱傳導(transmissionofheat)

相鄰海水溫度不同時，熱量由高溫處向低溫處轉(zhuǎn)移，這就是熱傳導。

由分子的隨機運動引起的熱傳導，稱為分子熱傳導。主要與海水的性質(zhì)有關。由海水塊體的隨機運動所引起，則稱為渦動熱傳導或湍流熱傳導。主要和海水的運動狀況有關。

6)沸點升高、冰點降低

海水的沸點(boilingpoint)和冰點(freezingpoint)與鹽度有關，即隨著鹽度的增大，沸點升高而冰點下降。冰點溫度(freezingpoint)隨鹽度ｓ的增加而降低。

三、海水的其他物理性質(zhì)

(Anotherphysicalpropertyofseawater)

1)粘滯性(viscosity)：當相鄰兩層海水作相對運動時，由于水分子的不規(guī)則運動或者海水塊體的隨機運動(湍流)，在兩層海水之間便有動量傳遞，從而產(chǎn)生切應力。2)滲透壓(penetrationpressure)：在海水與淡水之間放置一個半滲透膜，水分子可以透過，但鹽分子不能透過。那么，淡水一側(cè)的水會慢慢地滲向海水一側(cè)，使海水一側(cè)的壓力增大，直至達到平衡狀態(tài)。此時膜兩邊的壓力差，稱為滲透壓。3)表面張力(surfacetension)：液體的自由面上，由于分子之間的吸引力所形成的合力使自由表面趨向最小。3.1.3溫、鹽、密概念及之間關系

（Temperature&Salinity&Density）

1.溫度(Temperature)

物質(zhì)內(nèi)部分子熱運動激烈的程度表征物體冷熱程度的物理量

建立在熱平衡定律基礎上

海溫，就是海水的溫度。2.鹽度(Salanity)

1)鹽度(1902)：1kg海水中將(Br-,I-)以氯置換，碳酸鹽分解為氧化物,有機物全部氧化,所余固體物質(zhì)的總克數(shù)。(480度加熱48小時）

利用"海水組成恒定性"，測定出其中某一主要成分的含量，便可推算出海水鹽度。2)氯度:1kg海水中將(Br-,I-)以氯代替，所含氯的總克數(shù)。

轉(zhuǎn)換為鹽度的關系式為：S‰=0.030+1.8050Cl‰3)電導鹽度(1969):

式中為15℃，"一個標準大氣壓"(101325Pa)下,水樣的電導率C(S,15,0)與鹽度精確35.000‰(Cl‰=19.374‰)的標準海水電導率C(35,15,0)之比值。

上式由大洋和不同海區(qū)不深于100m水層內(nèi)采集的135個水樣，準確地測定其氯度值計算鹽度，同時測定水樣的電導比，得出鹽度S‰與電導比的關系依此方法測定鹽度的精度高且速度快。國際"海洋學常用表和標準聯(lián)合專家小組"(JPOTS)于1969年推薦該式為海水鹽度的新定義。4)實用鹽標PSS78：為使鹽度的測定脫離對氯度測定的依賴，JPOTS又提出了1978年實用鹽度標度(thePracticalSalinityScale,1978),并建立了計算公式，編制了查算表，自1982年1月起在國際上推行。

建立實用鹽度的固定參考點：配制一種濃度為32.4356‰高純度的KCl溶液，它在"一個標準大氣壓力"下，溫度為15℃時，與氯度為19.374‰(鹽度為35.000‰)的國際標準海水在同壓同溫條件下的電導率恰好相同，把這一點作為實用鹽度的固定參考點。

實用鹽度的計算公式：

式中是在一個標準大氣壓力下，溫度15℃時，海水樣品的電導率與標準KCl溶液的電導率之比。

適用范圍為2≤S≤42。3.密度和比容(Density&Capacity)

密度(Density)：單位體積物體的質(zhì)量；比容(SpecificCapacity)：單位質(zhì)量物體的體積是比容。

二者皆是溫、鹽、壓的函數(shù)?，F(xiàn)場密度：一定溫、鹽、壓下測得的密度。條件密度(ConditionalDensity)：

g/cm3密度超量：

kg/m3

狀態(tài)方程(StateFunction):描述海水溫、鹽、壓、密等理化特征參量之間關系的數(shù)學表達式。3.2海冰(SeaIce)

1、Tf、Tmax與鹽度關系(ConnectionbetweenTf、TmaxandS)

隨鹽度的增加而降低，且前者比后者降的慢，當鹽度為24.695時二者均是-1.33度。

2、結(jié)冰過程(Freezingprocedure)

淡水結(jié)冰：表層開始結(jié)冰。

海水結(jié)冰：大于24.695時結(jié)冰前一直對流混合，然后混合層都達冰點時一起結(jié)冰。

結(jié)冰條件：冰點溫度，結(jié)晶核

3、海冰分布(Distributionofseaice)

北極南極季節(jié)變化4、海冰物理性質(zhì)(Physicalpropertyofseaice)

鹽度(salanity)：1kg海冰融化后海水的鹽度。

密度(density)：與S有關，與冰內(nèi)的氣泡有關。1/10在水上，9/10在水下。

比熱(specificheat)：比純水冰大，且隨鹽度增高而增大。受鹵水的影響，隨溫度有較大的變化，因其鹽度值有很大差異。低鹽比熱小，高鹽比純水冰大數(shù)倍。

熱傳導系數(shù)(coefficientofheattransmission)：比純冰小，受氣泡影響大大減小，天然保溫層。

5、海冰與海洋水文狀況的關系

(Seaiceandhydrologicstatus)1）對水文要素垂直分布影響:

同性成層：豐富的漁業(yè)資源。

鹽度躍層(halocline)：

密度躍層(pycnocli