物理海洋学海水的物理性质学习教案.pptx

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1、会计学1物理物理(wl)海洋学海洋学 海水的物理海水的物理(wl)性质性质第一页，共68页。物理物理(wl)海洋学海洋学 运用物理学的方法研究海洋中的力场、热盐结构，以运用物理学的方法研究海洋中的力场、热盐结构，以及因而产生的各种机械运动的时空变化及因而产生的各种机械运动的时空变化(binhu)(binhu)，并研，并研究海洋中的物质交换、动量交换、能量交换和转换的学究海洋中的物质交换、动量交换、能量交换和转换的学科。科。物理海洋学研究的问题，可概括为海洋热盐结构、海物理海洋学研究的问题，可概括为海洋热盐结构、海水宏观运动（海洋环流、海洋波动和海洋潮汐）、海气水宏观运动（海洋环流、海洋波动和海

2、洋潮汐）、海气相互作用、海洋湍流四个主要方面。海洋学主要告诉相互作用、海洋湍流四个主要方面。海洋学主要告诉“什什么么”；物理海洋学告诉物理海洋学告诉“怎样或者是为什么怎样或者是为什么”。第1页/共68页第二页，共68页。宇宙(yzhu)开始于一个几何点，大爆炸约在150亿年前。宇宙(yzhu)中大约有500亿银河系，每个银河系大约有500亿星体，太阳系处在银河系中。第2页/共68页第三页，共68页。太阳质量占太阳系总质量的太阳质量占太阳系总质量的99.8%99.8%；太阳系以冥王星；太阳系以冥王星轨道为边界，直径轨道为边界，直径118108km118108km，太阳光，太阳光5.55.5小时才

3、穿出太小时才穿出太阳系。地球和太阳之间的距离约阳系。地球和太阳之间的距离约1.496108km1.496108km，光走，光走8.038.03分钟，规定分钟，规定(gudng)(gudng)此距离为一个天文单位，此距离为一个天文单位，第3页/共68页第四页，共68页。日食日食(rsh)(rsh)和月食示意图和月食示意图第4页/共68页第五页，共68页。太阳太阳-地球地球-月亮月亮(yu liang)(yu liang)之间的引力和之间的引力和离心力系统离心力系统第5页/共68页第六页，共68页。月相月相(yuxing)(yuxing)示意图示意图 新月、娥眉月、上弦月、盈月、满月、娥眉月、下弦

4、月、亏月、新月新月、娥眉月、上弦月、盈月、满月、娥眉月、下弦月、亏月、新月第6页/共68页第七页，共68页。科氏力作用科氏力作用(zuyng)(zuyng)示意图（北半球右偏南半球左偏赤道不偏）示意图（北半球右偏南半球左偏赤道不偏）第7页/共68页第八页，共68页。太平洋太平洋大大 地表地表1/3,1/3,海洋的海洋的1/2,1/2,平均平均(pngjn)(pngjn)深度深度4028m4028m第8页/共68页第九页，共68页。大西洋大西洋-洋中脊洋中脊-大洋大洋1/4,1/4,平均平均(pngjn)(pngjn)深度深度3627m3627m第9页/共68页第十页，共68页。印度洋印度洋-入

5、洋中脊由南向北扩张入洋中脊由南向北扩张-海洋面积海洋面积1/5,1/5,平均平均(pngjn)(pngjn)深度深度3897m3897m第10页/共68页第十一页，共68页。北冰洋北冰洋-小小-最宽的大陆架最宽的大陆架1000km,1000km,平均平均(pngjn)(pngjn)深度深度1200m1200m第11页/共68页第十二页，共68页。南大洋南大洋南纬南纬4545度至南大陆度至南大陆(dl)(dl)间的广阔水域。间的广阔水域。第12页/共68页第十三页，共68页。洋中脊示意图洋中脊示意图第13页/共68页第十四页，共68页。中国海示意图中国海示意图第14页/共68页第十五页，共68页

6、。第一节第一节 海水的物理性质海水的物理性质(wl xngzh)预备（一）水的特殊性质：极性预备（一）水的特殊性质：极性分子间缔合分子间缔合 极性极性溶解性好溶解性好密度变化异常：密度变化异常：常压下：纯水温度常压下：纯水温度3.983.98时密度最大时密度最大1000kg/m31000kg/m3；=0.00 =0.00，结冰（，结冰（916.7 kg/m3 916.7 kg/m3）水分子缔合成水分子缔合成一个巨大的分子晶体，晶格松散一个巨大的分子晶体，晶格松散(sngsn)(sngsn)，故，故密度减小。密度减小。3.98 3.98 3.98，热胀冷缩：受热水分子的热运动加强；，热胀冷缩：受

7、热水分子的热运动加强；热性质特殊性：热性质特殊性：沸点、熔点、比热、蒸发潜热、等比氧的同沸点、熔点、比热、蒸发潜热、等比氧的同族化合物高。熔化和汽化时，缔合分子的离解需族化合物高。熔化和汽化时，缔合分子的离解需要消耗较多的能量。要消耗较多的能量。第15页/共68页第十六页，共68页。预备（二）两种温标预备（二）两种温标 国际度量衡委员会国际度量衡委员会19891989年年9 9月决定采用月决定采用ITS-90ITS-90温温标取代标取代19681968年的国际实用温标（年的国际实用温标（IPTS-68IPTS-68），各种），各种特征的温度特征的温度(wnd)(wnd)值也发生变化。在世界大洋

8、水值也发生变化。在世界大洋水温度温度(wnd)(wnd)变化的范围内，两者关系如下变化的范围内，两者关系如下:90:90=0.99976568=0.99976568 68 68水冰点为水冰点为0.010.01；沸点；沸点100100。90 90水冰点为水冰点为0.010.01；沸点；沸点99.97499.974 max max变为（变为（3.9840.0053.9840.005）（90 90）68 68和和9090两者都有差值两者都有差值90/-1001020304090-68/0.0020.000-0.002-0.005-0.007-0.010第16页/共68页第十七页，共68页。一、海水的

9、盐度的定义一、海水的盐度的定义一、海水的盐度的定义一、海水的盐度的定义(dngy)(dngy)及演化及演化及演化及演化 1.1.盐度早期定义（盐度早期定义（19021902）1kg 1kg海水中碳酸盐全部转换成氧化物，海水中碳酸盐全部转换成氧化物，(Br-(Br-，I-)I-)以氯置换，有以氯置换，有机物全部氧化之后机物全部氧化之后(即即480 480 加热加热4848小时小时)所剩固体物质的总克所剩固体物质的总克数。单位数。单位g/kgg/kg，用符号，用符号表示。表示。-测量过程繁杂又不方便海测量过程繁杂又不方便海上操作。上操作。2.2.氯度盐度（用到氯度盐度（用到2020世纪世纪6060

10、年代）：年代）：利用利用“海水组成比例恒定性海水组成比例恒定性”，用氯离子含量（，用氯离子含量（AgNO3AgNO3）表示）表示盐度。盐度。S SClCl。ClCl称为称为(chn(chn wi)wi)海水的海水的“氯度氯度”，即，即“1kg“1kg海水中的海水中将海水中的海水中将(Br-(Br-，I-)I-)以氯当量置换，氯离子的总克以氯当量置换，氯离子的总克数数”。使用标准海水（氯度使用标准海水（氯度19.37419.374），其盐度值对应为），其盐度值对应为35.00035.000，为标准进行测量。为标准进行测量。-氯度为氯度为0 0是盐度大于是盐度大于0 0不合理；海水组成不合理；海水

11、组成恒定本身不够严格。恒定本身不够严格。第17页/共68页第十八页，共68页。3.3.电导盐度电导盐度电导盐度电导盐度(1969)(1969)电导盐度计问世。通过测定水样的电导比电导盐度计问世。通过测定水样的电导比电导盐度计问世。通过测定水样的电导比电导盐度计问世。通过测定水样的电导比R15R15得出盐度得出盐度得出盐度得出盐度SS。有经验公式。有经验公式。有经验公式。有经验公式 S SR15 R15 R15 R15为为为为1515时一个时一个时一个时一个(y(y )标准大气压下水样的电导率标准大气压下水样的电导率标准大气压下水样的电导率标准大气压下水样的电导率C C（S S，1515，0 0

12、）与标准海水（氯度）与标准海水（氯度）与标准海水（氯度）与标准海水（氯度Cl=19.374Cl=19.374；盐度为；盐度为；盐度为；盐度为35.000 35.000）的电导率）的电导率）的电导率）的电导率C C（3535，1515，0 0）之比值。）之比值。）之比值。）之比值。缺陷：缺陷：缺陷：缺陷：-还倚赖于氯度滴定和海水组成恒定原理；氯度还倚赖于氯度滴定和海水组成恒定原理；氯度还倚赖于氯度滴定和海水组成恒定原理；氯度还倚赖于氯度滴定和海水组成恒定原理；氯度的测定是特定离子而电导率与海水中所有的离子有关；温度的测定是特定离子而电导率与海水中所有的离子有关；温度的测定是特定离子而电导率与海水

13、中所有的离子有关；温度的测定是特定离子而电导率与海水中所有的离子有关；温度范围只包括范围只包括范围只包括范围只包括10103030。4.4.实用盐标（实用盐标（实用盐标（实用盐标（19821982推行）：推行）：推行）：推行）：配制一种浓度为配制一种浓度为配制一种浓度为配制一种浓度为32.435632.4356的的的的KClKCl溶液，在溶液，在溶液，在溶液，在1515时一个时一个时一个时一个(y(y )标准大气压力，与氯度为标准大气压力，与氯度为标准大气压力，与氯度为标准大气压力，与氯度为19.37419.374（盐度为（盐度为（盐度为（盐度为35.00035.000）的）的）的）的国际标准

14、海水的电导率相同。国际标准海水的电导率相同。国际标准海水的电导率相同。国际标准海水的电导率相同。S SK15K15第18页/共68页第十九页，共68页。K15 K15是一个标准大气压力下，温度是一个标准大气压力下，温度1515时海水样品的电时海水样品的电导率与标准导率与标准KClKCl溶液的电导率之比。溶液的电导率之比。K15=1K15=1时对应标准海水时对应标准海水盐度盐度35.00035.000。实用盐度不再使用实用盐度不再使用，因而实用盐度是旧盐度，因而实用盐度是旧盐度10001000倍。倍。由于海水绝对盐度无法直接测量，它与测定的盐度显然有由于海水绝对盐度无法直接测量，它与测定的盐度显

15、然有差异差异(chy)(chy)，因此称，因此称S S为实用盐度。为实用盐度。本测量方法适用范围本测量方法适用范围2S422S42。任意温度条件下也有相应的修正公式。任意温度条件下也有相应的修正公式。5.5.由温盐深度仪由温盐深度仪CTDCTD观测到的电导率是在其盐度为观测到的电导率是在其盐度为S S，温度，温度为为t t，压力为，压力为p p（k-Pak-Pa）时取得的，记为）时取得的，记为C C（S S，t t，p p）。经）。经过适当处理或者根据国际海洋学的常用表来查算。过适当处理或者根据国际海洋学的常用表来查算。海水却因为有了海水却因为有了“盐度盐度”，海水性质及其运动也特殊，因，海水

16、性质及其运动也特殊，因此盐度成了物理海洋学中的重要参数。此盐度成了物理海洋学中的重要参数。第19页/共68页第二十页，共68页。二、海水的热性质二、海水的热性质二、海水的热性质二、海水的热性质(xngzh)(xngzh)1.1.热容和比热容热容和比热容 热容：海水温度升高热容：海水温度升高1K1K吸收的热量。吸收的热量。比热容：单位比热容：单位(dnwi)(dnwi)质量海水的热容。质量海水的热容。定压比热定压比热CpCp：一定压力下的比热容，：一定压力下的比热容，Jkg-1Jkg-1-1-1。定压（略大于定容）比热是温、盐、压的函数。定压（略大于定容）比热是温、盐、压的函数。Cp Cp值随盐

17、度的增高而降低；值随盐度的增高而降低；Cp Cp在低温、低盐时随温度的升高而减小；在低温、低盐时随温度的升高而减小；在高温、高盐时随温度的升高而增大；在高温、高盐时随温度的升高而增大；例如在盐度例如在盐度S S3030，温度，温度t t1010时，时，CpCp值则全部随温度的值则全部随温度的升高而增大。升高而增大。第20页/共68页第二十一页，共68页。v v单位为单位为K-1K-1，V V是海水的体积，是海水的体积，T T为热力学温度，为热力学温度，T T（K K）=273.15+=273.15+（）。）。海水的热膨胀系数比纯水大，随水温、盐度升高而海水的热膨胀系数比纯水大，随水温、盐度升高

18、而增大；低温低盐时为负值。由正值转为负值的温度就增大；低温低盐时为负值。由正值转为负值的温度就是海水最大密度的温度，此随海水盐度的增大而降低。是海水最大密度的温度，此随海水盐度的增大而降低。有经验有经验(jngyn)(jngyn)公式为公式为maxmaxS S 2.体积热膨胀 海水温度高于最大密度温度时（max），再吸收(xshu)热量，会温度升高、体积膨胀。在恒压定盐条件下当温度升高1K（1）时，单位体积海水的增量，称为体积热膨胀系量或热膨胀率。以v表示，：第21页/共68页第二十二页，共68页。海水的体积膨胀系量比较小（10-4-10-6），因而由温度梯度变化引起的海水密度(md)的变化，

19、就不太显著。由此产生的压力梯度也小，于是水平温度梯度产生的海水运动也比较弱。所以海水运动速度远小于空气的因素之一（PV/T）。另外，海水的热膨胀系数随压力增大，在低温时更为明显。例如，盐度为35的海水，若温度为0，在1000m深处（p10.1MPa）的热膨胀系数比在海面大60%，温度为20时，则仅大4%。高纬度地区水温比低纬度海区低很多，所以上述影响在高纬海域更显著。第22页/共68页第二十三页，共68页。3.3.压缩性、绝热变化压缩性、绝热变化压缩性、绝热变化压缩性、绝热变化(binhu)(binhu)、位温、位温、位温、位温 压缩系数压缩系数 单位体积海水，压力增单位体积海水，压力增1Pa

20、的体的体积负增量。积负增量。如果海水微团在被压缩时，因如果海水微团在被压缩时，因和周围海水有热量交换和周围海水有热量交换(jiohun)而而得以维持其水温不变，则称为等温得以维持其水温不变，则称为等温压缩。在定盐条件下的等温压缩系压缩。在定盐条件下的等温压缩系数为：数为：如海水微团在被压缩过程中，与外界(wiji)无热量交换则称为绝热压缩。定盐条件下的绝热压缩系数为：第23页/共68页第二十四页，共68页。海水的压缩系数随温度、盐度和压力的增大而减小。与海水的压缩系数随温度、盐度和压力的增大而减小。与其它流体相比压缩系数很小。在海洋动力学中，常把海水看其它流体相比压缩系数很小。在海洋动力学中，

21、常把海水看作不可压缩的流体。作不可压缩的流体。在海洋声学中，压缩系数是重要参量。在海洋声学中，压缩系数是重要参量。由于海洋深度很大，被压缩的量相当可观，如果海水真由于海洋深度很大，被压缩的量相当可观，如果海水真正正“不可压缩不可压缩”，那么海面将会升高，那么海面将会升高30m30m左右。左右。绝热变化绝热变化 绝热提升，压力减小、体积膨胀、对外做功、消耗内能绝热提升，压力减小、体积膨胀、对外做功、消耗内能导致温度降低；导致温度降低；绝热下沉，压力增加、体积减小、外力对海水微团做功，绝热下沉，压力增加、体积减小、外力对海水微团做功，增加期内能使温度增加。增加期内能使温度增加。海水温度在绝热变化过

22、程中随压力的变化率称为绝热温海水温度在绝热变化过程中随压力的变化率称为绝热温度梯度（或绝热递减率）。用如下度梯度（或绝热递减率）。用如下(rxi)(rxi)公式表示：公式表示：第24页/共68页第二十五页，共68页。即即K/mK/m或摄氏度每米（或摄氏度每米（/m/m）海洋的绝热温度梯度很小，约为海洋的绝热温度梯度很小，约为0.11/km0.11/km。（大气的稳定度）（大气的稳定度）位温位温 海洋中某一深度（压力为海洋中某一深度（压力为p p）的海水微团，绝热上升）的海水微团，绝热上升到海面（压力为大气压到海面（压力为大气压p0p0）时所具有的温度称为该深度海水）时所具有的温度称为该深度海水

23、的位温；海水微团此时密度，称为位密的位温；海水微团此时密度，称为位密 。海水的位温显然比其现场海水的位温显然比其现场(xinchng)(xinchng)温度低（压力温度低（压力减小膨胀做功耗能）。若其现场减小膨胀做功耗能）。若其现场(xinchng)(xinchng)温度为温度为，绝热，绝热上升到海面温度降低了上升到海面温度降低了，则该深度海水的位温，则该深度海水的位温=-=-。位温和位密度分别记作：位温和位密度分别记作：第25页/共68页第二十六页，共68页。其中其中的量值随海水微团所在的深度及现场温度的量值随海水微团所在的深度及现场温度 的的增大而增大。通过对绝热梯度的积分计算出位温（有参

24、增大而增大。通过对绝热梯度的积分计算出位温（有参考公式和表格可查）。考公式和表格可查）。在分析大洋底层水的分布与运动时，由于各处水温在分析大洋底层水的分布与运动时，由于各处水温差别甚小，但绝热变化效应往往明显起来，所以用位温差别甚小，但绝热变化效应往往明显起来，所以用位温分析比用现场温度更能说明问题。分析水温的铅直结构分析比用现场温度更能说明问题。分析水温的铅直结构时，更不能无视绝热变化的影响。时，更不能无视绝热变化的影响。下为明达瑙海沟观测资料，依现场水温绘制下为明达瑙海沟观测资料，依现场水温绘制(huzh)(huzh)的断面图图中的断面图图中a a，深于，深于3470m3470m以后水温随

25、深度而增加。在以后水温随深度而增加。在与海槛深度相当的水层上，呈现出一个明显的与海槛深度相当的水层上，呈现出一个明显的“冷水舌冷水舌”，似乎有一层，似乎有一层“冷水冷水”在底层的在底层的“暖水暖水”之上之上“水平地水平地”流过。流过。其实由位温分布图中其实由位温分布图中b b可知，越过海槛的水是一直沿坡可知，越过海槛的水是一直沿坡下沉到海沟底部的。下沉到海沟底部的。第26页/共68页第二十七页，共68页。第27页/共68页第二十八页，共68页。4.4.蒸发潜热和饱和蒸发潜热和饱和蒸发潜热和饱和蒸发潜热和饱和(b(b oh)oh)水气水气水气水气压压压压 比蒸发潜热比蒸发潜热比蒸发潜热比蒸发潜热 比蒸发潜热：比蒸发潜热：比蒸发潜热：比蒸发潜热：1kg1kg海水汽化为同温度的蒸汽海水汽化为同温度的蒸汽海水汽化为同温度的蒸汽海水汽化为同温度的蒸汽(zhn(zhn q)q)所需所需所需所需热量，盐度影响很小，接近纯水，单位热量，盐度影响很小，接近纯水，单位热量，盐度影响很小，接近纯水，单位热量，盐度影响很小，接近纯水，单位J/kgJ/kg。经验公式，。经验公式，。经验公式，。经验公式，L L，是水温，是水温，是水温，是水温，0 30 0 分子粘滞系数导电性质：电导率取决于盐类第67页/共68页第六十八页，共68页。