第三章海水的物理性质和世界大洋的层化结构
第三章：海水的物理特性和世界大洋的层化结构
一、海水的主要热学和力学性质
（一） 水的密度
水结冰时，密度减小，体积增大，所以冰总是浮在水面上，这与一般物质的性质“热胀冷缩”不同，是一种反常膨胀。
水的密度随温度的这种不正常的变化，是由水分子的缔合造成的。
（二） 水的热性质特殊
水的熔点、沸点、比热、蒸发潜热和表面引力值都比氧的同族氢化物高。其原因就在于熔化和汽化时，缔合分子的溶解需要消耗较多的能量。
（三） 海水的盐度
海水是含有多种无机盐类的溶液，盐度是其浓度的一种量度，它是描述海水特征的基本物理量之一。海洋中发生的许多现象都与盐度的分布和变化密切相关。
长期以来，人们对盐度的定义、计算标准和测量技术进行了广泛的研究和讨论，先后有1902年盐度、氯度定义；1969年的电导盐度定义；1978年的实用盐标。
1、 1902年盐度、氯度定义
大量海水分析结果表明，不论海水中含盐量的大小如何，各主要成分之间的浓度比基本上是恒定的，这种规律称为“海水组成恒定性”又称为马赛特原则。
海水组成恒定性规律的发现，为测定海水的盐度提供了方便条件。1902年，克努森（Knudsen）等人建立了盐度、氯度定义。
1) 盐度：1千克海水中的碳酸盐全部转换成氯化物，溴和碘以氯当量置换，有机物全部氧化之后所剩固体物质的总克数，单位：克每千克，用符号S‰表示。
2) 氯度：1千克海水中的溴和碘以氯当量置换，氯离子的总克数，单位是克每千克。（氯度量稍大于海水中实际氯含量）
用硝酸银滴定法测定海水的氯度时，需要知道硝酸银的浓度，为此，配置一种标准的知道
其氯度值的标准海水，作为国际统一标准硝酸银溶液的浓度。国际上统一使用氯度值精确为19.374‰的大洋水作为标准，称为标准海水，其盐度值对应为35.000‰。
2、 1969年的电导盐度定义
考克斯等1976年对由大洋和不同海区不深于100米的水层内采集的135个水样，准确的测定其氯度值计算盐度，同时测定水样的电导比R15，得除了盐度S‰与电导比之间的关系式：
但此种盐度测定仍然未脱离对氯度测定的依赖，直至1978年实用盐标的建立，才使得盐度测定脱离了对氯度测定的依据。
3、 1978年的实用盐标（PSS78，Practical Salinity Scale 1978）
实用盐度仍然是用电导率测定的。
实用盐度是采用高纯度的KCL，配制成32.4356‰的溶液，作为测定盐度的参考标准，其大气压力下的温度为15℃时电导率刚好与同温同压下盐度为35.000‰的国际标准海水的电导率相同，他们的电导比K15=1。也就是说当K15=1时，标准氯化钾溶液对应的实用盐度值为35，把这一点作为实用盐度的参考点。
（四） 海水的主要热性质和力学性质
海水的热性质一般指海水的热容、比热容、绝热温度、位温、热膨胀及压缩性、热导率、比热蒸发潜热等，他们都是海水的固有性质，时温度、盐度、压力的函数，与纯水的热性质有差异。
1、 热容与比热容
2、 体积热膨胀
热膨胀系数由正值转为负值时的温度就是海水的最大密度温度，tρ(max)是盐度的函数，随海水的盐度的增大而降低。
3、 压缩性、绝热变化和位温
在绝热下沉时，压力增大使其体积变小，外力对海水微团做功使其内能增加，导致温度升高；反之，在绝热上升时，体积膨胀，克服外力做功，消耗内能，导致温度下降。
海洋中某深度（压力为p）的海水微团，绝热上升到海面（压力为大气压p0）时所具有的温
度称为该深度海水的位温。海水的位温显然比其现场温度低。
4、 比蒸发潜热及饱和水汽压
比蒸发潜热受盐度的影响很小，与纯水非常接近。在所有物质中，水具有最大的蒸发潜热，因此，它对表层海水的热平衡和热状况有很大影响。
对于海水而言，由于盐度存在，则单位面积海面上平均水分子数目要少，减少了海面上水分子的数目，因而较纯水而言，其饱和水汽压降低，限制了海水的蒸发。
5、 热传导
6、 沸点升高和冰点下降
7、 海水的一些力学性质
海水的粘滞性（动力学粘滞系数随盐度的增大略有增大，随温度的升高迅速减小）
海水的渗透力（随S的增大而增大）
海水的表面张力（随温度的增高而减小，随S的增大而增大）。
二、海冰
（一） 海冰的形成条件及过程
1、 海冰的形成条件
海冰形成的必要条件是：海水水温降低至冰点冰继续失热，相对冰点稍有过冷却现象，并有凝结核存在。
凝结核：有机物质、无机悬浮颗粒、雪花晶体等。
2、 过程
海水的冰点和最大密度温度都随盐度的增加而减小，并且随着盐度的增加，海水最大密度温度较冰点温度下降的速度快。
当S=24.695时，二者的温度值相同，都为-1.33℃；
当S＜24.695时，tρ(max)＞tƒ，其结冰过程与淡水相同；
当S＞24.695时，tρ(max)＜tƒ，其结冰过程与纯水不同。
盐度大于24.695的海水（海水盐度通常如此），因其最大密度温度低于冰点，所以在结冰之前，随着温度不断降低，表面海水的密度将不断增大，由此引起对流混合，即使海面温度降至冰点，但由于增密所引起的对流混合仍不能停止。因此，只有当对流混合层的温度同时达到冰点时，海水才会结冰。所以，海水结冰可以从海面至对流可达到的深度内同时开始。也正因为如此，海冰一旦形成，便会浮上海面，形成很厚的冰层。
海水的结冰，主要是纯水的冻结，会将盐份大部分排出冰外，而增大了冰下海水的盐度，加强了冰下海水的对流和进一步降低了冰点，再加上冰层阻碍了其下海水热量的散失，因而大大的减缓了冰下海水继续冻结的速度。
（二） 海冰的分类
1、 按结冰过程的发展阶段可将其分为：出生冰、泥罗冰、饼状冰、初期冰、一年冰和老年冰。
2、 按海冰的运动状态分为固定冰和流冰两类。
（三） 海冰的物理性质
1、 海冰的盐度是指其融化后海水的盐度，一般为3~7左右。
海冰实际上是淡水冰晶、卤汁（来不及流走的盐分以卤汁形式包围在冰晶之间，形成盐泡）、气泡（来不及溢出的大气）的混合物。
海冰盐度的高低取决于冻结前海水的盐度（海水的盐度大，海冰的盐度可能较高）、冻结的速度（冻结速度快，海冰的盐度高）、冰龄（冰龄越长，盐度越小）等因素。另外，随着冰层厚度的增加，盐度下降。
2、 海冰的密度
纯水冰0℃是的密度一般为917 Kg•m-3，海冰中因含有气泡，密度一般较低，冰龄越长，由于冰中卤汁渗出，密度则越小。
3、海冰的热性质及其它物理性质
（1）海冰的比热容比纯水冰大，且随盐度的增高而增大。
（2）海冰的溶解潜热也比纯水冰的大。
（3）海冰的热传导系数比纯水冰的小。
（4）海冰的热膨胀系数随海冰的温度和盐度而变化。
（5）海冰的抗压强度约为纯水冰的3/4。
（6）海冰对太阳辐射的反射率远比海水的大。
三、世界大洋的热量与水量平衡
（一）海面热收支
世界大洋中的热量来自太阳辐射能。
海面热收支的主要因子有：太阳辐射Qs、海面有效回辐射Qb、蒸发或凝结潜热Qe、海气之间的感热交换Qh。即：Qw=Qs-Qb±Qe±Qh
把世界大洋作为一个整体，长期而言，应有Qw=0，但对局部海区，在短时期内，则Qw≠0。Qw>0，则海水净得到热量，反之Qw<0，海洋失去热量。
（二）海洋内部的热交换
在铅直方向上的热输运QZ：主要是通过湍流进行的，它是通过海面上的风、浪和流等引起的涡动混合把海面的热量向下输送的。在水平方向上的热输送QA：主要是通过海流来完成的。
海洋中的全热平衡：Qt=QS-Qb±Qe±Qh±QZ±QA
（三）海洋中的水平衡
海洋中水的收入主要靠：降水、陆地径流、融冰；支出主要是：蒸发、结冰。其中降水是海洋水收入的最重要的因子。
对整个世界大洋，水量收支应该是平衡的。全水量平衡方程如下：q=P+R+M+Ui-E-F-Uo
    对整个世界大洋而言，结冰F与融冰M是可逆过程，相互抵消，有海流混合带入的水量U袁大头值多少钱i
和带走的水量Uo也影响等，因此有q=P+R-E
四、世界大洋温度、盐度、密度的分布和水团
世界大洋的温度、盐度和密度的时空分布和变化，是海洋学研究的最基本的内容之一。从宏观上看，世界大洋中温、盐、密度场的基本特征是：
1、 在表层大致沿纬向呈带状分布，即东西方向上量值的差异相对很小；而在经向，即南北方向上的变化却十分显著。

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