海水的基本特征及其起源.ppt

第二章 海水的基本性质及起源,第一节 海水的状态和颜色第二节 海水的盐度、温度和密度第三节 海水的起源,章目 录,第一节 海水的状态和颜色,海水有3种物理状态，即固态海冰、液态海水和气态海雾,海水的状态（States of Ocean Water）,数量最大的为液态海水，为13.7*108Km3.固态海冰主要集中在南极洲和北冰洋等高纬度区北冰洋几乎全被冰所覆盖，多为3-4m厚的“多年冰”，海冰冰界3-4月份最大，8-9月份最小。南极洲是全球最大的冰库，全球85%的冰都集中在这里，南极海区多是2-3m厚“冬冰”，冰区9月份最大，3月份最小。我国渤海和黄海北部，每年冬季有不同程度的结冰，多为海上浮冰块。,海雾的形成有一定条件，海水蒸发使空气中的水蒸汽达到饱和状态便会出现海雾。目前，全球有三个海雾中心区：以中高纬度大西洋纽芬兰岛为中心；以北太平洋千岛群岛为中心；以南印度洋爱德华王子群岛为中心。其次是大洋东岸低纬度信风带上游。在我国海域，山东半岛东岸、朝鲜半岛西岸和舟山群岛是三个海雾中心。,海水的状态（States of Ocean Water）,海水颜色又称海色，可用水色计测定，分为12级，编号最小为蓝色，号码变大，颜色由黄绿转变为褐色。一般大洋海水呈深蓝色，近岸海水为蓝绿色和黄褐色。有些海用海色命名，如黄海、红海等。海色是海水表层悬浮物质和溶解物质对阳光的散射作用造成的，因此海水的颜色在一定程度上反映海水中悬浮和溶解组分的性质。,海水的颜色（Colors of Ocean Water）,中国黄河从西北高原带来大量黄土，使黄河口的水体为黄色；美国加里福尼亚湾北部，科罗拉多河在雨季有大量红土带入海湾，使海水呈褐红色。黑海的水很深，下层水含大量硫化氢，缺乏氧气，形成缺氧环境，生物无法生存，使海水变为青褐色。红海是海水中有大量的红色藻类繁殖，而呈红色。白海是由于海面上漂着白色冰山和冰块，在岸边白雪的反射下，把水映成白色。,海水颜色变化Water color change in the Bahamas,第二节 海水的盐度、温度和密度,1.盐度的定义（Definition of Salinity）盐度是海水含盐量的标度。海水是复杂的溶液，其中含氯、钠等80多种元素，它们所形成的无机盐类的总和称为该海水的盐度。（1）盐度（Salinity）19世纪末，M.H.C.克努曾等人认为，海水盐度的定义为：“lkg海水中溴和碘全部被当量的氯置换，所有碳酸盐都转换成氧化物之后，其所含的无机盐的克数称为盐度，以S表示,单位为gkg”。按此定义盐度的测定不可能在现场完成，故“海洋用表与标准联合专家小组”，于1963年建立了用氯度求盐度的方法。,（一）海水的盐度（Ocean Salinity）,（2）氯度（Chlorinity）“沉淀海水样品中含有卤化物所需纯标准银（原子量银）的质量与海水质量之比值的0.3285234倍”（物理海洋学符号单位及术语工作组，1979）。盐度与氯度的关系为:S1.80655*Cl 电导盐度测定计出现后，使盐度测定方法简化、精度提高，可在现场完成。它利用海水电导率随海水温度、压力和盐度的改变而改变，在相同的温度和压力条件下，相同离子组成的海水的电导率仅与盐度有关，所以可以根据电导率大小来求盐度值。这一方法以15和1个大气压为标准状态下测定的，对于非15的测定值，建立了一个温度校正表格，可查出-235时的盐度值。,2.海水盐度的分布（Distribution of Salinity）（1）盐度的平面分布 海水的盐度受蒸发、降雨、海流、海水混合、结冰和融冰等因素影响。全球海水盐度的平均值为34.7，一般记平均值为35,Salinity in the Worlds Oceans,这是因为南、北纬20-30区处于信风带，天气干燥，蒸发量（E）大于降雨量（P），北纬20处，E-P80cm，南纬20处，E-P65cm，因而太平洋北纬25-30，盐度为35.5；南纬20-25处，盐度达36.5。大西洋北纬25和南纬17-18处，盐度均为37.25；印度洋中南纬30处，盐度为36。赤道区的降雨量大于蒸发量，因而表层海水盐度低，高纬度区蒸发量小，降雨量大，因而表层海水盐度低。,全球海洋表层盐度分布图表明，各大洋都有两个盐度高值区，分别出现在南、北纬20-30处，而在赤道和两极区均为盐度低值区。,海洋表层盐度分布特征：1、基本上也具有纬度方向的带状分布特征，但从赤道向两极却呈马鞍形的分峰分布，副热带海域盐度值最高。2、在寒暖流交汇区域和径流冲淡海区，盐度梯度特别大，这显然是由它们盐度的显著差异造成的。3、海洋中盐度的最高和最低值多出现在一些大洋边缘的海盆中。4、冬季盐度的分布特征与夏季相似，只是在季风影响特别显著的海域（如孟加拉湾和南海北部地区），盐度有较大差异。夏季由于降水量很大，盐度降低，冬季降水量减少，增发加强，盐度增大。,北半球夏季平均的海洋表层盐度（）Average sea surface salinities in the Northern Hemisphere summer，given in parts per thousand（）,（2）盐度的垂向分布（Distribution with Depth）在赤道和亚热带区，下沉海水密度小，形成盐度高的上水层，深度约100-200m，再往下盐度急剧降低，于800-1500m降至最低，此后缓慢上升；在极地区，由于低温，表层50-100m为低盐层，由此向下，盐度迅速上升，约在300-500m水深以下，盐度可再随深度变化。,极地区盐度随深度的变化（Duxbury etc.，1997）Salinity values change with depth in seawater.,大洋中盐度的垂向分布规律,太平洋盐度随深度变化特征,盐跃层（halocline）：海水盐度垂直梯度突变的水层。,（3）盐度的时间变化（Changes with Time）海水盐度有微小的日变化，在大洋区只有0.05，而浅海区也不超过1。在盐度日变化中，潮汐作用有很大意义。海水盐度年变化与气温引起的蒸发量变化和季节降雨量变化有关。高纬度区与结冰和融冰有关，结冰时，海水盐度升高，融冰时，盐度降低。结冰速度快，海冰盐度便高，冰龄越长，盐度越低。,1981年4月13-14日,1984年4月14-15日,我国近海表层盐度特征是近岸低、外海高，河口区低、黑潮区高。,长江口附近夏季表层盐度分布,海水盐差的开发、利用,利用海水盐度差渗透压力差所形成的水位高差势原理来发电，建立海水盐差发电站，这是一种洁净的能源。海洋中，河口区存在较大的盐度差，河流流入海中是淡水，海水平均盐度为34.7，在河水和海水之间存在着较大的盐度差，那里是设置利用盐度差的渗透势能发电的理想场所。我国陆地河流入海总流量为2.3万亿m3，估计盐度差能的发电蕴藏量每年为1亿kW。,三大洋表层海水温度平均为17.4，比陆地年平均的14.4高3，其中太平洋年平均为19.1，印度洋为17，大西洋16.9。太平洋水温高是太平洋的热带、亚热带区面积广，它的35面积位于南、北纬30之间。大西洋热带区域面积较小，印度洋介于两者之间。另一原因是太平洋北部的大陆块使其与北冰洋分隔，阻碍了大量北冰洋冷水的进入，而大西洋的北部与北冰洋连通。在南半球，三大洋与南极洲大洋相通，情况相似。,（二）海水的温度（Temperature of Ocean Water）,1.海水表层温度（surface water temperature）主要取决于太阳辐射热，其次与洋流有关。低纬度表层海水温度高，高纬度区水温低，温差可达30，全球等温线大致平行纬度线，在南半球尤为显著，但递减率是不规则。在北半球，大洋西部等深线密集，东部等深线较稀。在北纬35处，西岸水温高于东岸，这与洋流体系有关，同时东岸多有上升流存在。,全球海洋表层海水温度等值线图(Conte etc.，1997),海洋表层海水温度不均匀向深处递减。在南、北纬45之间，海水温度大致可分上、下两层。自表层到600-1000m水深处为对流层，对流层之下为平流层。在对流层中、上部0-100m深处，由于大气与水体交换，风和波浪的扰动，温度无垂直梯度变化。这层之下，形成一个明显的温度梯度。1000m深处，海水温度为4-5。平流层中，垂直温度梯度小，2000m深处，水温为2-3，3000m深处，水温为l-2，因而占大洋体积75的海水温度在0-6之间，全球海水平均温度为3.5或3.9。,温度随海水深度的变化（Duxbury etc.，1997）Temperature values change with depth in seawater.,2.水温的垂直分布(Vertical Distribution),海水温度随大洋深度变化规律,世界大洋水体中的温度分布,大洋表层海水日温差仅0.3-0.4，每日中午太阳辐射最强，大部分热量用于蒸发，小部分用于增高水温；晚上，有效回辐射使海水温度降低。由于海水热容量大，所以昼夜温差小。一般冬季日温差小，夏季日温差大，风和云也是影响日温差因素，云量大时，日温差小，风使海水混合，使日温差小。浅海区温差大于大洋区，可达3-4，一般日温差随深度增加而减小。如果海面有高密度层存在，由于内波的振荡，日温差可超过表层。海水温度年变化主要取决于太阳总辐射年变化；其次为海流和盛行风等。一般说来，赤道区年变化较小，随着纬度增高，年变化增大，但至中纬度为最大值区，以后随纬度增加而减小。北半球表层海水年变化较南半球大。,3.海水温度的时间变化（Changes with Time）,January Sea Surface Temperature(oC),-10 0 12 24 34,July Sea Surface Temperature(oC),-10 0 12 24 34,海水温差的开发、利用,海水在垂直方向上存在明显温度梯度，由浅至深，温度由高至低，越往深处，海水的温度就越低，赤道及热带海域最为明显。可以把海洋表层温度高的海水作为热源，地层温度低的海水作为冷源，来建立一个发电系统，这样，利用海水垂直温差来发电是可能的。初步估算，我国南海温差发电量可达5亿kW。利用海水温差发电，可能会对环境产生影响。,大洋暖池,又称大洋热库，一般指热带西太平洋至印度洋东北的一片海域，海面表层水温多年平均值在28以上，是一片以赤道为长轴的椭圆形海域。,形成机理：由于太阳辐射、热量交换，特别是赤道区自东向西信风吹送等的作用，使大量温暖的海水逐渐积蓄在西太平洋和印度洋东北部暖池区，致使该海区表层水温比邻区海域高出3-9，形成暖池。,研究意义：暖池区是全球赤道附近大气加热最强的海区，也是全球大气中对流最强烈的地区，且活动持久，它的变化必将影响到全球气候，也是异常气候的源地之一。大洋暖池的变化不仅制约着亚洲、太平洋区气候变化，并且影响全球气候变化和某些重大自然灾害的形成和变化。,大洋暖池的重要性质,A：暖池的范围和深度随季节而发生变化。1、2月份最小，2月份以后迅速向北扩展，5月份达到较大范围，6-7月份范围稳定或稍有缩小，8月份达到最大，10月份以后范围迅速缩小。两个深度中心：5-6月份，位于位于东边缘的西太平洋，中心深度可达130m；春秋季及冬季中心位于印度洋，平均深度70-80m。,B：暖池中心位置随季节变化西太平洋和东印度洋暖池中心的移动轨迹形同一个西北-东南向的“8”字形。C：西太平暖池与西太平洋副热带高压区的关系西太平洋暖池面积的变化与副热带高压区面积指数季节变化趋势十分一致，大体上副热带高压区的变化略后于暖池的变化。,大洋暖池的重要性质,D：大洋暖池季节变化与大气环流的关系大洋暖池中心的位置与最大的大气对流中心一致，它的变化影响全球气候，是异常气候的原地之一。大气辅合和辐射的中心均位于暖池的上空，并且覆盖整个暖池区域，整个暖池区风场均向上运动。E：西太平洋暖池与厄尔尼诺的关系暖池次表层（50-200m）海水温度的异常与厄尔尼诺有密切关系，次表层海水温度正异常的出现及其向赤道东太平洋的扩展预示着厄尔尼诺的发生。,大洋暖池的重要性质,1.海水密度（Density）海水密度是单位体积海水的质量，单位为g/cm3。海水密度是海水盐度（S）、温度（T）、压力（P）的函数，以STP表示，也叫现场密度，它的倒数为容量，以STP表示，单位是cm3g。现场海水密度稍大于1，一般为1.02551.0285，因此，常用现场条件密度表示密度：STP=（STPl）103同理，用现场条件比容表示比容：VSTP=（STP-0.9）103,（三）海水的密度（Density of Ocean Water）,（1）海水密度的平面分布 海水的温度和盐度是影响海水密度的主要因素。温度高，密度小（4时水密度最大，为1）；盐度高，密度大；压力增加，密度增大。赤道区温度高，盐度低，因而那里表层海水的密度也低，约1.0230；两极海域温度低，海水密度较大，南极海域达1.0270以上；亚热带区蒸发量大，盐度高，温度高，密度中等。,（2）海水密度垂向分布(Vertical Distribution)垂直方向上，从海面至1500m深度的海水密度梯度大；1500m水深以下，海水密度递增慢，密度梯度小。海水密度变化会引起垂直对流。高纬度区高密度海水下沉形成底层流流向低纬度区，南赤道逆流辐聚下沉形成下降流。,密度随海水深度的增加（Duxbury etc.，1997）Density increases with depth in seawater,密度的垂向分带,（3）海水密度的时间变化（Changes with Time）大洋区，海水的温度和盐度的日变化都较小，因而密度的日变化也较小。一年之中，冬季水温低，密度较大，夏季水温高，密度小，两者之差为0.003510.00l08。浅海区，海水温度和盐度变化大，因而密度变化也大。,海水中的T、P、S垂向变化,跃层,海水的密度与温度、盐度关系,第三节 海水的起源,海水的形成与地球物质整体演化有关。一般认为海水是地球内部物质排气作用的产物，即水汽和其它气体是通过岩浆活动和火山作用不断从地球内部排出的。现代火山排出的气体中，水汽占75%以上，据此推测，地球原始物质中水的含量应当较高。地球早期火山作用排出的水汽凝结为液态水，积聚成原始海洋，还有些火山气体溶解于水，从而转移到原始海洋中，而另一些不溶或微溶于水的气体则组成了原始大气圈。,但是，全部火山岩中的水只有目前海水的一半，同时海水中有大量岩石中含量很少的元素。？,海水的起源,水的聚集事件：地球形成初期，原始宇宙物质通过涡流和聚集作用聚集起来，地球在不断运动中使重元素组成的物质向地心下沉，形成地核，轻元素组成地幔和地壳，水的密度更小，必然集中在地壳之上。地球上水圈中的水位液态形式，取决于地球在太阳系中的位置。,