海水的物理性质

海洋海冰部分的思维导图，海水是一种溶解有多种无机盐、有机物和气体以及含有许多悬浮物质的混合液体。

海水的物理性质

• 海水的组成
  • 海水的成分
    • 海水是一种溶解有多种无机盐、有机物和气体以及含有许多悬浮物质的混合液体
    • 迄今已测定海水中含有八十余种元素
    • 海水中96.5%以上为水，无机盐占3.5%左右
  • 海水组成恒定原理
    • 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
  • 盐的循环
    • 海洋盐度处于稳定状态，盐的输入率等于输出率
• 海水（纯水）的物理性质
  • 纯水的特性
    • 水分子的结构特殊，具有极性，分子易于缔合
      • 由于水分子的偶极子结构，其熔点和沸点大幅提高， 否则只能以气体形式存在，不能形成海洋和生命
    • 水的溶解力很强
      • 水分子有很强的极性，容易吸引溶质表面的分子或离子， 使其脱离溶质的表面进入水中。
      • 水可轻易将盐分解为离子状态
      • 海水的溶解性和腐蚀性更强。
    • 水的密度变化有反常
      • 水在温度4℃近时密度最大。
        • 低于4℃时，有利于分子的缔合。因为冻结为冰时，水分子缔合成分子晶体，结构排列松散，密度减小。 0-4℃时大分子变成小分子，排列变紧密，体积收缩，密度增加高于4℃时，分子热运动强，体积变大，密度减小
    • 水的热性质特殊
      • 熔点、沸点、比热、蒸发潜热、表面张力等都比氧的同族化合物高 （原因：缔合分子的解离耗热）
  • 海水的主要热力学性质
    • 热容、比热容
      • 概念
        • 热容：海水温度升高1K所所吸收的热量
        • 比热：单位质量海水的热容
          • 定压比热容：保持压力不变的情况下的比热容
          • 定容比热容：保持体积不变的情况下的比热容
          • 比热容是海水温度T、盐度S和压力P的函数
      • 海水和大气的比热容相差4倍，但热容量相差巨大 。1m³海水降低1℃放出的热量可使3100m³的空气升高1℃
    • 热膨胀、压缩性
      • 热膨胀系数
        • 热膨胀系数：温度升高1K,单位体积海水的体积增量是T、S、P的函数
        • 海水的热膨胀系数比纯水大，且随T、S和P的增大而增大，低温时随压力增加而增大更为明显
        • 低温低盐时，海水的热膨胀系数为负值，说明当温度升高时海水收缩。热膨胀系数正负转变时对应的密度最大
    • 绝热过程、位温
      • 压缩系数
        • 压缩系数：单位体积海水，压力增加 1Pa体积的负增量
        • 压缩系数随温度T、盐度S和压力P的增大而减小， 但研究中通常视海水为不可压缩流体
        • 海水的压缩性在海洋声学中是个重要参量：海水的压缩性是声波传播的关键
      • 海水的压缩过程
        • 等温压缩
        • 绝热压缩
      • 位温、位密
        • 位温和位密：某一深度海水绝热上升到海面时所具有的温度称该深度海水的位温， 海水微团此时相应的密度称为位密
    • 蒸发潜热、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
        • 海水的比蒸发潜热受盐度影响很小，可只考虑温度的影响， 蒸发潜热随温度升高而减小
      • 海水蒸发与天气
        • 蒸发使海洋失去水分的同时也失去巨额热量，由水汽携带输送给大气，这对海面的热平衡和海上大气状况的影响很大
        • 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
    • 热传导、盐扩散
      • 分子热传导：分子的随机运动引起，与海水性质有关
      • 湍动/涡动热传导：与海水的运动状况有关
      • 海水盐量扩散
        • 分子盐扩散
        • 涡动盐扩散
    • 沸点、冰点、最大密度温度
      • 海水沸点和冰点与盐度有关，随着盐度增大，沸点升高而冰点下降
      • 水最大密度温度与盐度有关且随盐度增加而降低 （影响海水的结冰过程 ）
  • 海水的力学性质
    • 粘滞性
      • 定义
        • 当相邻两层海水做相对运动时， 由于水分子的不规则运动或海水块体的随机运动（湍流）， 在两层海水之间有动量传递，会产生摩擦力，这种特性叫粘滞性
      • 分子运动引起的粘滞性非常小，一般可忽略，而湍流引起的涡动粘性较大
      • 分子粘滞性只取决于海水的性质，而涡动粘滞性则与海水的运动状态有关
      • 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
    • 渗透压
      • 定义
        • 被半渗透膜分开的海水和淡水，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
          • 渗透压随海水盐度的增高而增大
      • 海水渗透压的重要性
        • 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，尤其是深海生物
    • 表面张力
      • 定义
        • 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
      • 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
      • 表面张力对海面毛细波和海浪的生成至关重要
• 海冰
  • 海冰的定义
    • 定义
      • 广义
        • 海洋中见到的冰统称为海冰 。包括咸水冰、河冰、冰山等
      • 狭义
        • 由海水冻结而成的并称为海冰
    • 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
  • 海冰的生成、发展和消融
    • 结冰
      • 结冰条件
        • 冰点温度、结晶核
      • 结冰过程
        • 低盐海水 （S<24.695）
          • 低盐时与淡水相同，结冰时海水为稳定层结，从表面开始结冰
        • 高盐海水 (S>24.695)
          • 海水冰点温度高于最大密度温度,只有当对流混合层内水温都达到冰点时， 海水才会结冰
        • 当海水温度降至冰点以下时，海水出现过冷状态，海水以有机物、无机物、悬浮颗粒或雪花晶体作为结晶核，形成针状冰，继而形成海绵状，当温度继续下降时，冰片增厚，面积扩大。 冰形成初期速度很快以后渐渐放缓。首先海水的结冰>纯水冷冻>盐分排出>冰下海水密度增大>对流增强>冰点降低,同时冰层阻碍其下海水热量的散失>减缓冰下海水继续冻结的速度
        • 结冰时，一些海水被困在冰中,结冰速度越快，俘获的海水越多
    • 海冰的发展
      • 海冰的分类 （按结冰过程的发展阶段分类 ）
        • 按结冰过程的发展阶段分类
          • 初生冰
            • 针状或 薄片状的细小冰晶
            • 大量冰晶凝结，集聚形成黏糊状或海绵状冰
            • 在温度接近冰点的海面上降雪，雪可不融化而直接形成黏糊状冰
          • 尼罗冰
            • 10cm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
          • 饼状冰
            • 在外力的作用下相互碰撞、挤压、边缘上升， 形成直径为30cm至3m厚度在10cm左右的圆形冰盘
          • 初期冰
            • 由尼罗冰或冰饼直接冻结一起，而形成后约10-30厘米的冰层，多呈灰白色
          • 一年冰
            • 由初期冰发展而成的厚冰，厚度为30cm至3m，时间不超过一个冬季
          • 多年冰
            • 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
        • 按海冰的运动状态分类
          • 固定冰
            • 与海岸岛屿或海底冻结在一起的冰
            • 冰架
              • 高出海面2米以上的固定冰
          • 流冰
            • 自由浮在海面上，能随风和海流漂移的冰
          • 冰山
            • 由大陆冰川或冰架断裂后滑入海洋且高出海面五米以上的巨大冰体（不在流冰其列）
            • 冰山介于固定冰和流冰之间
    • 分裂和消融
      • 灰尘、杂质和盐包是融化的中心，形成水坑。水坑表面 海水反射率低，可以更多的吸收太阳热量于是加速融化 ，
      • 海冰对太阳辐射的反射率远比海水大
  • 海冰的物理性质
    • 盐度
      • 定义
        • 海水的盐度：海冰融化后的盐度一般为3~7左右
      • 海冰盐度与结冰速度、结冰前海水盐度、冰龄有关
        • 在结冰的过程中，气温越低，结冰速度越快， 冰层厚度发展越厚，被包围在其中的卤水越多，海冰的盐份越高
        • 冻结前海水的盐度越高，海冰的盐度可能也高
        • 冰的盐度随冰龄的增大而减小
      • 海冰盐度垂向分布
        • 上层结冰速度快，盐度高。下层结冰速度慢，盐度低
    • 密度
      • 海冰的密度小于海水的密度，大小取决于其中的空气量和盐量
      • 冰龄越长，由于冰中卤汁渗出，密度则越小
    • 海水的热力学性质
      • 比热容
        • 海冰比热比纯水冰大，且随盐度的增高而增大，高盐时比纯水冰大数倍
      • 融解潜热
        • 海冰的融解潜热也比纯水冰大
      • 反射率
        • 海冰对太阳辐射的反射率远比海水的大， 海水的反射率平均只有0.07，海冰可高达0.5~0.7
          • 对气候状况影响很大
      • 热传导系数
        • 海冰的热传导系数小于纯水冰，大于海水的分子热传导系数， 小于海水的涡动热传导系数
        • 海冰限制了海洋向大气的热量输送，也使海洋的蒸发失热大为减少，从而形成了海洋的保护层 ，因此被称为“海洋皮袄”
  • 海冰的分布和变化
    • 分布
      • 海冰的时间分布
        • 大尺度：海冰的分布随地质年代而变化大体隔2.5亿年就有一个大冰期， 期间又有小冰期 小尺度：海冰的空间分布随季节、年度而变化
      • 海冰的空间分布
        • 海冰是高纬海区特有的海洋水文现象
        • 北冰洋和南极洲周围是地球上海冰最集中的地区
        • 在北冰洋边缘的附属海，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，每年冬季都会有海冰出现
    • 变化
      • 海冰具有显著的季节和年际变化
  • 海冰的影响
    • 对水文要素的影响
      • 对水文特征垂直分布的影响
        • 结冰时
          • 水文要素垂直分布比较均匀
          • 表层高溶解氧的海水向下输送
          • 底层富营养盐海水向上输送
        • 融冰时
          • 表面出现低盐水，出现盐度跃层；由于表层增温及淡化， 出现密度跃层，影响上下层的水交换
      • 形成大洋底层水
        • 冬季南极因为大量结冰，使其冰下的海水有低温高盐高密的性质， 沉降到深层，沿大陆架向下滑动，形成南极底层水
      • 减少水温年变化
        • 夏季冰反射和融冰消耗融解热
        • 冬季释放结晶热
    • 对海水运动的影响
      • 减慢流速
      • 降低波高
      • 阻尼潮汐和潮流
    • 对气候的影响
      • 结冰融冰：结晶热和融解热
        • 海冰在冻结和融化时的潜热，推迟了高纬地区温度的 季节变化和冰期-间冰期温度的变化
      • 海冰反射
        • 海冰的反射率大于海水，使得被海冰覆盖的地区更加寒冷； 如果海冰开始融化，地表反射率降低导致温度上升更快
      • 海冰热容量大于海水
        • 浮在海面上的海冰，其热容量较海水或纯水要大的多， 融冰需要消耗更多的热量
      • 海冰热交换系数小于海水
        • 海冰的热扩散系数比海水小，阻碍了大气与海 水之间的热交换，阻挡海洋散热
    • 海冰的危害
      • 封锁港口、航道 堵塞舰船海底门 使锚泊舰船走锚 挤压损害舰船 破坏海洋工程建筑物和各种海上设施 使渔民休渔、毁坏近海养殖基地 船舶积冰 影响海底采矿 影响极地海洋考察
  • 海冰的观测
    • 利用岸站船舶、飞机、浮冰漂流站、雷达及 卫星等多种途径对海冰和冰山进行观测
  • 全球变暖对海冰的影响
    • 卫星和现场观测表明，夏季北冰洋的海冰覆盖范围在不断减小， 同时海冰厚度也在变薄，海冰的体积呈显著减小的趋势
• 温度、盐度、密度及其之间的关系
  • 海水的温度
    • 温度的概念
      • 温度：描述物质分子热运动的量度
      • 单位：华氏度、摄氏度、开尔文
    • 海水温度的测量
      • 颠倒温度计（闭端、开端） 温度深度计（BT） 温盐深剖面仪(CTD) 投弃式温度剖面仪(XBT) 机载投弃式温度剖面仪(AXBT) 投弃式温盐深剖面仪(XCTD)
  • 海水的盐度
    • 盐度的概念
      • 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
    • 海水盐度的测量
      • 盐度的测量方法
        • 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
        • 电导方法
          • 通过测定海水的电导率来推算盐度值
      • 实用盐度
        • 为使盐度的测定脱离对氯度测定的依赖，JPOTS于1978年提出实用盐度标度
        • 实用盐度仍利用电导率来计算，选择一种精确浓度的氯化钾溶液作为可在制的电导标准，用海水相对于氯化钾溶液的电导率比来确定海水的盐度值
        • 实用盐度的计算
          • 实用盐度的计算公式（15℃，海压为0）
          • 任意温度——实用盐度的计算公式 （海压为0）
        • 标准海水的获取
          • 盐度为35的标准海水取自大西洋北部
            • 现用以特定浓度的氯化钾溶液代替标准海水
          • 测盐度的仪器事先用标准海水来标定
      • 海水盐度的实际观测
        • 早期是在实验室滴定测量盐度，目前采用CTD（温盐深剖面仪）进行现场测量，测量得到的电导率是任意盐度、温度和压力情况下获得的，需要对压力进行修正
  • 海水的密度
    • 海水密度的计算
      • 海水状态方程
        • 1980年国际海水状态方程（EOS-80）
        • 国际海水热力学方程（TEOS-10）