海洋科学导论ppt课件-3-海水性质.ppt
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1、第三章海水物理性质和海冰,第一节海水组成,一、海水组成:混合溶液=水+无机盐+有机物+悬浮物等海水中96.5%以上为水,无机盐仅占3.5%左右,海水中无机盐,海水中的无机盐仅占3.5%左右目前分离出80余种,其中11种主要无机盐占99.99%,Garrison,2009,海水组成恒定性原理,不同海域海水中无机盐绝对含量不同海水中主要无机盐相互间比值基本恒定.,前六元素含量:34.91/35.13=99.37%;34.237/34.4=99.53%,盐的循环,事实1:河流将岩石风化产生的盐带到大海每年1015克/年事实2:海洋盐度在过去15亿年中保持不变,稳定状态:盐的输入率等于输出率,岩石圈板
2、块,生物的调节作用!?,第二节海水的物理性质,一、纯水分子结构特殊分子极性分子缔合力,H2O:唯一一种能在地球表面以固态、液态、气态同时存在的物质。,地球上水,1溶解力强(极性):水可轻易将盐分解为离子状态,水合作用:溶质的分子或离子与溶剂的分子相结合的作用。对于水溶液来讲称为水合作用,Sodium Chloride氯化钠,纯水性质,水在温度4C附近时密度最大高于40C时分子热运动强低于40C时有利于分子的缔合(分子缔合力随温度降低增强)冻结为冰时,水分子全部缔合成一个巨大的分子缔合体,称为分子晶体。结构排列松散,密度减小,2密度变化异常,纯水性质,水遵循“热胀冷缩”规律吗?,3沸点和融点、比
3、热、蒸发潜热等热性质比氧的同族化合物高,9,其理论上分别为-90 和-80,而实际上为0 和100,含3.5%左右无机盐,Garrison,2009,海水性质,溶解力更强海水不遵循热胀冷缩规律冰点温度及比淡水更低冰点/沸点比淡水更低/高,海水性质,海水溶解力更强,从波罗的海海底打捞上来的二战炸弹,海水的最大密度温度及冰点温度都与海水盐度有关,海水不遵循热胀冷缩规律,海水性质,海水的热力学性质,热容、比热容热膨胀蒸发潜热和饱和水汽压绝热过程和位温压缩性热传导沸点升高冰点降低,热容、比热容,热容:海水温度升高1K所吸收的热量。单位:(J/K)比热容:单位质量海水的热容。单位:J/(K kg)海水的
4、比热容较大海水比热:3890J/kg.K,海水密度:1025kg/m3,空气比热:1000J/kg.K;空气密度:1.29kg/m3。海水和大气的比热容相差4倍,而热容量相差巨大1m3海水降低1C放出的热量可使3100m3的空气升高1C海水温度变化滞缓海洋是大气的空调器,海水热力学性质,定压比热cp和定容比热cv,比热容是海水温度、盐度和压力的函数定压比热容(cp):保持压力不变的情况下的比热容定容比热容(cv):保持体积不变的情况下的比热容一般而言,cp/cv=11.02常用定压比热一般而言,cp 随盐度的增大而减小,低温、低盐时,cp随温度升高而减小,高温、高盐时,cp随温度升高而增大,海
5、水热力学性质,海水的热膨胀,海水遵循热胀冷缩规律?热膨胀系数(温度升高1K单位体积海水的增量),是T、S、P的函数。热膨胀系数正负转变时对应的密度最大。,海水热力学性质,海水的压缩性,压缩系数:在研究中通常视为不可压流体。单位体积海水,压力增加1Pa体积的负增量。是温度、盐度和压力函数,随他们的增大而减小。分为等温压缩、绝热压缩过程。海水的压缩性是海水中声波传播的关键,海水热力学性质,海水的绝热变化和位温,什么叫绝热变化?绝热变化:与外界没有热交换。海水绝热下沉时,压力增大使体积缩小,导致温度升高海水绝热上升时,压力减小使体积膨胀,导致温度降低。海水绝热温度变化随压力(深度)的变化率称为绝热温
6、度梯度。海洋的绝热温度梯度平均为 0.11C/km,海水热力学性质,海水的位温和位密,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。位温通常比海水现场温度低,为什么?位密:位温时相应的密度,称为位密,记为,海水热力学性质,蒸发潜热和饱和水汽压,蒸发过程:水变成同温度汽的过程。比蒸发潜热L:1Kg水变成同温度汽所吸收的热量。L受盐度影响很小,可只考虑温度的影响Dietrich(1980)给出如下计算公式(0300C),海水热力学性质,饱和水气压,饱和水气压:水变汽和汽变水过程达动态平衡时具有水汽压。对纯水而言,饱和水汽压是指水分子有水面逃出和同时回到水中的过程达到平衡时,水面上水汽所
7、具有的压力。对海水而言,由于盐度存在,则单位面积海面上平均水分子数目要少,限制了海水蒸发,使饱和水汽压降低饱和水汽压与温度有关,海水热力学性质,海面的蒸发量,与海面上水汽压与饱和水汽压的差成正比饱和水汽压小不利于蒸发,蒸发及蒸发潜热、饱和水气压,蓬莱仙境,海水蒸发与天气,由于海水蒸发,海洋平均每年失去126cm厚的海水为何不见海面降低?热带气旋、台风、飓风的生成与蒸发有密切关系海雾蒸发水汽饱和,海水的热传导,相邻海水温度不同时,热量由高温向低温转移。两种形式:分子热传导、湍动热传导分子热传导:分子的随机运动引起,量级为10-1与海水性质有关,海水的热传导,湍动热传导:亦称涡动热传导。量级为10
8、2103海水块体随机运动所引起(分子量级为10-1)与海水的运动状况有关,波罗的海与北海水相遇分界线及分层(流速慢、密度差异大),海水热力学性质,海水盐量扩散与上述情形类似,分为:分子盐扩散和涡动(湍动)盐扩散与海水的性质和运动状况有关分子盐扩散系数仅为分子热传导系数的0.01左右(为什么?),海水沸点升高、冰点降低,都与盐度有关随盐度增大沸点升高随盐度增大冰点下降,海水的其他物理性质,粘滞性渗透压表面张力,海水的粘滞性,当相邻两层海水做相对运动产生切应力由于水分子的不规则运动或海水块体的随机运动(湍流),在两层海水之间便有动量传递,海水的粘滞性,切应力:两层流体相对运动 单纯由分子运动引起的
9、粘性系数非常小,一般可忽略,而湍流引起的涡动粘性系数较大海洋中以湍流引起的涡动粘性为主分子粘性对海-气界面物质交换过程非常重要。,被半渗透膜(水分子可透过,盐分子不能透过)分开的海水和淡水,淡水一侧的水慢慢渗向海水一侧,达到平衡状态时膜两边的压力差,称为渗透压它随海水盐度的增高而增大,海水渗透压,海洋生物的细胞壁就是一种半渗透膜,渗透压对海洋生物的生存十分重要!,海水渗透压,液体自由面上,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,这就是表面张力小昆虫因张力存在而可以水面行走液体(0度以上时)表面张力最弱的是酒精。,海水的表面张力,海水的表面张力随温度的升高而减小,随盐度的增大而增大表
10、面张力对海面毛细波和海浪的生成至关重要!,海水的表面张力,第三节温、盐、密概念及之间关系,温度描述物质分子热运动的量度。,Boltzmann常数,T单位:摄氏、华氏、开尔文(SI)Celsius,Fahrenheit and Kelvin,F=9/5+32=5/9(F-32)0 273.16K,换算关系,海水温度测量,海水的盐度,盐度定义1kg海水中所包含的溶质的总质量。基于化学方法的盐度定义“1kg海水中的碳酸盐全部转换成氧化物,溴和碘以氯当量置换,有机物全部氧化后所剩固体物质的总克数”。单位是g/kg,用符号表示(Kundsen,1902)第一次给出盐度的准确定义。但该方法测定盐度非常繁琐
11、,操作复杂,时间长。,盐度是物理海洋学的一个重要参数。,海水的盐度测量(化学方法),Knudsen公式(化学方法)基于海水组成恒定性规律,用测定海水氯含量的方法来计算盐度 S=0.03+1.805 CI CI 为氯度:1kg海水中的溴和碘以氯当量置换,氯离子的总克数1966年修改为 S=1.80655 CI 用AgNO3滴定法测定海水的氯度标准海水:氯度值精确为19.374 的大洋水作为标准,对应的盐度值为35.000。,海水盐度测量:电导方法,通过测定海水的电导率来推算盐度值(Cox et al.,1967)R15:一个标准大气压(1013hPa)温度15C时水样的电导率C(S,15,0)与
12、标准海水(盐度精确为35)电导率C(35,15,0)之比值。1969年国际“海洋学常用表和标准联合专家小组”(JPOTS)推荐使用此新定义,国际标准:实用盐度标度,1978年提出,JPOTS1982年1月开始在国际上推行固定参考点选择一种精确浓度的氯化钾(KCI)溶液作为可再制的电导标准,用海水相对于KCI溶液的电导比来确定海水的盐度,其中K15 为一个大气压下,温度150C,海水样品的电导率与标准KCI溶液的电导率之比,实用盐度标度,实用盐度不再使用符号使盐度的测定脱离对氯度测定的依赖,克服了海水盐度标准受海水成分变化的影响问题为保持盐度历史资料的一致性仍用原来氯度为19.374 国际标准海
13、水为实用盐度35.000的参考点。配制精确浓度(32.4356)的氯化钾溶液,与其电导率相等,实用盐度计算公式,Lewis(1980)给出任意温度的盐度公式 Kt 为任意温度下的电导率之比上面公式又进一步推广到任意压力(Millero,1996),关于标准海水获取,盐度35的标准海水取自大西洋北部,封装在275ml的玻璃瓶中,根据实用盐度标准标定其电导率比和盐度。自1989年起,由设在英国的Ocean Scientific International分发到世界各地由电导率推算盐度可准确到0.003 测盐度的仪器事先用标准海水来标定,海水盐度的测定,实际利用CTD测量得到的电导率是任意盐度、温度
14、和压力情况下获得的,需要对压力进行修正。,现场密度:一定温盐压下条件密度:密度超量:,海水的密度,密度和比容单位体积物体的质量是密度;单位质量物体的体积是比容;都是温盐压函数,互为倒数,海水的密度,密度测量:表层海水的密度可以直接测量,但海面以下深层的海水密度至今尚无法直接测量。,海水状态方程,描述海水密度与温、盐、压等理化特征参量之间关系的数学表达式。,1980年国际海水状态方程(EOS80),JPOTS推荐从1982年1月1日启用。(一)“一个大气压国际海水状态方程”适用范围是:温度-240,实用盐度042。(二)高压国际海水状态方程:适应范围是:温度-240,实用盐度042,海压0108
15、Pa,压力匹配因数n=10-5,现场密度,位密,第四节海冰,海冰定义:狭义:由海水冻结而成的冰称为海冰。广义:在海洋中所见到的冰统称为海冰。包括咸水冰、河冰、冰山等。海冰是淡水冰晶、“卤水”和含有盐分的气泡混合体。,3%-4%海洋面积被海冰覆盖,海冰的危害,1封锁港口、航道;2堵塞舰船海底门;3使锚泊舰船走锚;4挤压损坏舰船;5破坏海洋工程建筑物和各种海上设施;6使渔民休渔、毁坏近海养殖基地;7船舶积冰8.海底采矿9.极地海洋考察,53,2006年1月,莱州湾遭遇20多年来未遇的冰冻,海冰的危害,海冰的分类,按运动形态分为 固定冰和流冰两大类按发展阶段分为初生冰、尼罗冰、饼状冰、初期冰、一年冰
16、和多年冰等,固定冰:与海岸、岛屿或海底冻结在一起的冰。冰架:海面以上高于2米的固定冰流冰:自由浮在海面上,能随风、流漂移的冰。特点:大小不一、厚度各异;例外:冰山界于固定冰和流冰之间冰山:由大陆冰川或冰架断裂后滑入海洋且高出海面5m以上的巨大冰体不在流冰其列。流冰的漂移方向主要受风和海流共同制约无风时,漂移方向与速率大致与海流相同单纯由风引起的漂移速度约为风速的1/501/40,方向偏风矢量之右(北半球)或之左(南半球)(为什么?),固定冰和流冰,56,漂移的海冰和冰山,冰山和流冰会影响船舰航行和危害海上建筑物1912年4月14日,269米长的Titanic游轮在纽芬兰岛南部被冰山撞沉,222
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