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1、4 现代海洋物理学,4.1 什么是现代海洋物理学,研究海洋自身的物理现象和过程，尤其是海洋水体物理过程及其与大气关系的变化规律的科学。 研究内容包括：海洋物理特性、海洋水体的运动形式和过程，及海洋与大气的相互作用等。,海水,盐度：35密度：1.02786 g/cm3冰点：-1.8C,可见光可以穿过多深的海水,电磁波可穿透海洋的深度,地球上的主要风带,低纬度之信风带，中纬度之西风带与极地东风带。,由于地球表面受热不均匀，造成空气的流动，形成 了赤道和两极之间的大气环流：地球表面的风由极地（高压）吹向赤道（低压），而在大气上空则由赤道吹向极地。 由副热带高气压带吹向赤道地区的定向风叫信风。在地球自
2、转偏向力的作用下，风向发生偏离，北半球形成东北信风；南半球形成东南信风。终年吹着信风的地带，叫信风带。这种现象是法国科学家科里奥利1884年通过实际观测发现的，后人称之为科氏力效应。,信风带,信风带一般分布在南北纬525附近，并仅限于对流层的下层，平均厚度在4000米左右。由于信风是向纬度低、气温高的地带吹送，所以没有水汽凝结条件，属性干燥；世界上有些沙漠和半沙漠，多分布在信风带。,科氏力效应,科氏力即科里奥利力（Coriolis force），是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。 科氏力产生的原因是由于地球自转，在赤道上线速度最大，往两极逐渐
3、减小，到极点上为零。若气团从低纬度向高纬运动，其自身的纬向速度（与它所在纬度上的地表速度相适应）会大于它移向的那个地表的纬向运动速度。故它的纬向运动有超前的趋势，即有和地球自转同向的加速度。反之，从高纬向低纬运动，则有和地球自转反向的加速度。在地球上观测就感觉有力的作用。,季风,因行星风系的季节性南北移动、海洋与大陆温度对比的季节性变化,季风是由于海陆热力性质的不同和太阳辐射的季节变化而产生的以一年为周期的大型海陆直接环流。 冬季，大陆比海洋冷，大陆上为冷高压，近地面空气自大陆吹向海洋；夏季，大陆比海洋暖，大陆上为热低压，近地面空气自海洋吹向大陆。,我国东邻太平洋，在夏季，因大陆气温高于海洋，
4、低层气压相应较低，风由海洋吹向大陆，形成湿热的东南季风； 在冬季，因大陆气温低于海洋，低层气压相应较高，风由陆地吹向海洋，形成干冷的西北季风。 古人诗曰：“古道西风瘦马”。,海流(洋流),大洋水体有规则的运动为海流。 海流一般分为三种： 在海风作用下，由风的“拉力”作用而使海水产生运动为风海流； 由海水密度不同而产生的海水运动为密度流； 由于长波运动产生的海流，包括潮汐、内波、假潮、海啸等产生的海水运动为长波潮流。,潮 汐,潮汐是由于日月对地球的引力引起的海水水位的周期性涨落。,万有引力Fg1/r2, 离心力Fcr2,由于太阳离地球比月亮远得多，所以日潮的高低只有月潮的2/5。,在地球上任一处
5、的海水就会因地球自转一周而在一天之内涨落两次。,大潮和小潮,波 浪,在海洋中存在着各种不同形式的波动，从风产生的表面波，到由月亮和太阳的万有引力产生的潮波，此外，还有表面看不见的且下降急剧的密度梯度层造成的内波。以及我们在实验室十分难得一见的海啸、风暴潮等长波。, 4.2 从海格力斯神柱到埃克曼的新发现,很久以前，航海家们就听说从地中海出发进行远航必须经过一个叫海格力斯神柱的地方，神柱外面是个海洋无底洞，船到那里就会掉进无底深渊。 于是，一代代航海家们谁也不敢贸然西进，只能在地中海里转悠。,地中海,公元前400多年前，勇敢的腓尼基人组织了一支探险船队。60艘船只从迦太基城(现属突尼斯)出发。船
6、队离神柱越来越近，只见高耸的悬崖突兀地矗立于海中，真像是通天神柱。 航船依次驶向那神秘的地方。突然，一阵漩涡袭来，扰乱了航船队伍。接着，一股急流竟把航船冲向后，在探险队长的指挥下，水手们鼓起勇气，驾着航船，在不安中与漩涡和急流搏斗。出乎意料的是，他们竟安全地通过了神柱，来到了一片浩瀚无垠的水域，这里就是大西洋。,那突如其来的漩涡和逆流是怎么回事呢?原来啊，这是大西洋的海水从直布罗陀海峡流入地中海的结果。 地中海被欧洲、亚洲和非洲大陆包围着，大西洋的海水成年累月地往里流，人们感到奇怪的是，地中海里的海水总也不见增多。那么，秘密在哪儿?原来在海底有一支人们觉察不到的海流，偷偷地从地中海流回了大西洋
7、。这支潜伏着的海流叫做地中海密度流。 正是因为有了地中海密度流，才促使地中海的水沿着海洋底部流向大西洋，而大西洋的海水则从表层流入地中海。这一进一出，才使地中海的水量保持平衡。,直布罗陀海峡是大西洋与地中海相通的狭窄通道，当滔滔海水流到海格力斯神柱附近时，水流变急并伴有漩涡，航船行驶到这里，一不小心，出现翻船事故，船只就掉进“无底洞。” 从那个时期起，欧洲的航海家们便开始关注海流的存在了。,密度流,温度低的海水，要比温度高的海水密度大；含盐多的海水，要比盐度小的海水密度大。密度大的海水会不断地下降，密度小的海水会不断地上升，形成一定范围内的海水周期循环运动，人们把这种海水运动形式起名为密度流。
8、 正是因为有了地中海密度流，才促使地中海的水沿着海洋底部流向大西洋，而大西洋的海水则从表层流入地中海。,风海流,尽管有许许多多种原因导致海水流动，但是，海洋里那些比较大的海流，主要还是由强劲而稳定的信风或季风吹刮起来的。这种由风直接产生的海流叫做风海流 。,1893年，挪威探险家南森在北极探险时，发现漂浮在海面上的冰块并非沿风吹来的方向移动，而是随着海流的方向漂流。 他根据大量观测资料发现，风向与表层流的运动方向不一致，海流的运动方向较风吹去的方向偏右20至40。 埃克曼用数学方法证明了在北半球海流方向比风向偏右45。随着海水深度增加，流速逐渐变小，流向不断向右偏转，到了一定深度，海流的方向与
9、表层流方向竟然完全相反。埃克曼把这一现象，通过数学模型，做成螺旋曲线。这一惊人的发现，引起了人们的极大兴趣，被后人称之为埃克曼螺线。,埃克曼螺线和水在北半球偏向右的净输送,埃克曼输送对大陆边缘海意义重大，因为它能产生近岸上升流。,黑潮的流速比一般海流要强劲得多。它流速为每小时310千米，由此可以计算出，黑潮在我国东海的流量为每秒约3000万立方米。这个流量相当于我国第一大河长江流量的1000倍，可见黑潮之流量极为可观。 其实，黑潮的水并不黑，甚至比一般海水更清澈透明。这是因为黑潮水质极少杂质，能见度达3040米深。不过，当太阳的散射光照射下，其他光波如红、黄等色为长波，被水分子吸引，只有黑蓝色
10、的光波被反射，所以，当人们从上往下看海水时，海水成了蓝黑色。这样人们就习惯地称它为黑潮，以区别与其他的般海水。,黑潮是由北赤道流转变而来的。由于北赤道流受强烈的太阳辐射，因而，黑潮海流具有高温、高盐的特点。 据调查，黑潮的表层水温。夏季在2730C，即使在冬季也不低于20C，它比邻近海水高56C，因此，人们又把黑潮称之为“黑潮暖流”。,4.3 近岸上升流和厄尔尼诺（El Nino）,厄尔尼诺现象也许是海洋和大气相互作用的最好、最戏剧化的描述。它对地球上的日常生活有巨大影响。198283年和199798年强烈的厄尔尼诺现象袭击了全球，带来了巨大的损失，也使它变成了一个家喻户晓的名词。,在某些地区
11、（如秘鲁沿岸），风向与海岸平行。埃克曼输送导致表层水离岸运动，为补偿离岸的表层水，富含营养的下层冷水上升，这就是近岸上升流。 近岸上升流区域是海岸中最肥沃的区域之一。在这里，浮游植物利用上升流带来的营养进行光合作用，大量繁殖。只要上升流持续，浮游动物和较小的鱼类就能依靠不断更新的食物大量繁殖。,秘鲁渔场,在特殊的年份里，由于信风较弱，风力不足以推动暖海水向西流动，造成有营养的下层低温海水停止上升。而临近赤道区的暖流就会入侵，引起秘鲁沿岸海域的水温升高，这种现象大约隔几年就会在圣诞节前后发生，当地居民把这种暖流的季节性南侵，由此引起的海面水温升高的现象，称为“厄尔尼诺”（圣婴） 。结果是，大批鱼
12、类死亡，成千上万的海鸟被饿死，造成了捕鱼量减产，鸟粪资源生产大幅度减产。,经多年观测研究，发现厄尔尼诺现象出现时，不仅对秘鲁沿岸带来灾害，甚至影响到全球气候的异常。 现在只把发生在中、东赤道太平洋地区大范围的海水温度升高，通常要持续一年以上的增温现象才称为厄尔尼诺现象。,1998年1月8日全球海洋温度图赤道附近高温海水南侵，造成厄尔尼诺现象,澳大利亚极端的干旱,1998年厄尔尼诺造成的干旱、洪水和灾害,印尼因干旱导致的火灾焚毁了森林,长江流域大洪水,2006年10月27日国外媒体报道，美国Aqua和Jason卫星拍摄到了太平洋中部地区的海水的平均温度出现了一定程度的上升，这一现象就是厄尔尼诺即
13、将来临的指示剂。,对厄尔尼诺现象仍有迷惑不解,发生厄尔尼诺现象时，那巨大的暖水的热源是什么？厄尔尼诺现象的自身规律是什么？它的发生周期长短受什么制约? 大洋中的暖水团运动和大洋环流的关系？与黑潮暖流的关系？怎样进行预报？,4.4 “拉尼娜”(La Nina)光顾并非都是祸,“拉尼娜”一词是指赤道东太平洋海面表层水温异常降低的现象。 从历史文献获悉：从1900年至1999年中，先后出现过20次“拉尼娜”现象，平均35年发生一次。在大多数情况下，“拉尼娜”总是跟随“厄尔尼诺”之后出现的。 我国因拉尼娜干扰，夏季暴雨增多，台风频频发生。而对赤道中太平洋、东太平洋的直接影响是，海水温度异常变冷，造成局
14、部地区旱涝之灾。,“拉尼娜”现象出现，多与赤道偏东信风的强度有直接关系。 由于偏东信风的加强，赤道海流在强大信风推动下，从东太平洋向西太平洋流动，使高温水团不断在西太平洋上集中，形成大洋海水温度最高的海区。 相反，在赤道东太平洋表层比较暖和的海水，则向西输送，深层冷水团会向上升涌，结果是赤道东太平洋表面海水水温出现超乎寻常的降低，于是，“拉尼娜”现象发生了。,就全球气候变化来说，“拉尼娜”给北美洲的西部地区、南美洲，以及非洲东部地区，带来的是干旱的威胁；而给东南亚、非洲的东南部和巴西北部地区，则造成降水量增加，局部发生水灾。 厄尔尼诺和拉尼娜都是影响气候变化的重要因素，但是，影响天气的程度一般
15、不超过50 。不论是厄尔尼诺，还是拉尼娜，这种全球性的灾害并没有缓解的迹象。,4.5 海洋地震波海啸,海嘯是一种具有強大破坏力的海浪。當地震發生於海底，因震波的动力而引起海水剧烈的起伏，形成強大的波浪，向前推進，將沿海地帶一一淹沒的災害，称之為海嘯。,海嘯通常由震源在海底下50千米以內、里氏地震6.5级以上的海底地震引起。 地震所引起的水体波动是從海面到海底整個水层的起伏，包含的能量巨大。由地震引发的海啸一般波长很长，短者有几十千米，长者达数百千米。海啸波传播速度比较快。在水深三四千米深的大洋中发生地震，引起海啸波速可达到700至900千米每小时。 地震海啸对被冲击的海岸每平方米的波压可达20
16、30吨，甚至90吨，造成非常大的破坏力。,2004年12月的海啸几乎把苏门答腊西北角分裂出另一个岛左图摄于2003年1月10日；右图摄于2004年12月29日,泰国普吉岛阙迪度假村在海啸突然来袭时，刹那间被海水吞没的恐怖情景。左图为海啸来袭之前，右图为海啸来袭之时,中国海域发生海啸的几率很小,4.6 全球变暖，世界关注海平面的变化,在地球的气候变化中，海洋总是起着主导作用。 海平面长期的变化主要是指地质历史期间的海平面的变化。其特点是变化的幅度虽然不大，但其变化的范围大，甚至是全球性的。人们经常讨论的海平面上升，就是指的这种长期性的变化。,由冰川引起的海平面变化是指由于气候变化导致冰川界线反复
17、进退，从而引起的海平面升降变化。 世界上冰储量的95在南极地区，约为3,000万立方千米。 如果所有的冰川将在数千年间逐渐融化，那将引起海平面的持续上升，并伴随着一片大陆的上升和海洋底质的沉降。,由地壳构造引起的海平面变化，指的是因某种地壳构造运动而引起的局部地区或全球性的海平面变化。局部性的地壳升降运动，能引起区域性的海平面变化。即由于地壳升降导致海面相对于陆面之间的距离发生变化的结果。世界洋盆总容积增大，会导致海平面降低；反之，洋底地壳抬升，某些洋盆消失，可使海平面升高。海底扩张速率变化引起的海平面变动，周期长达数百万年，其变化幅度可达300500米之间。,由“温室气体”引起的全球变暖,2
18、0世纪90年代以来，地球的温度以一种反常的速率增加，即人们熟知的全球变暖。 20世纪末全球气温比19世纪末高出0.7，20世纪90年代是过去一个千年中最热的十年。结果导致海平面升高1025厘米，冰山开始融化。,温室气体,二氧化碳、甲烷、氮氢化合物、氯氟烃、臭氧等气体，能阻碍阳光在地面产生的热量散发出去，这种效应，如同温室作用一样，使地球自然升温，被称作“温室效应”，产生“温室效应”的气体叫做“温室气体”。大约100年前，地球大气层中的二氧化碳含量一直保持相对的稳定。 此后它在大气层中的比率增加了约10 ，而且增加的速度正在加速。甲烷虽说不像二氧化碳那么多，但产生“温室效应”的能力却是二氧化碳的
19、2060倍。主要来自于填埋垃圾，水稻根部无氧微生物的分解，煤、石油、天然气的开采和输送，废水的处理及生物质的燃烧等过程。,长短波辐射,地球表面温度变化图,南极冰川俯撖图,一大块冰川 从悬崖上坠落或突然从水下的冰脚中升起，其壮观的景象和巨响使见证者永生难忘。,有“赤道雪山”奇观的乞力马扎罗山山顶积雪融化,海拔5896米的非洲第一高峰乞力马扎罗山山顶积雪融化、冰川消失现象非常严重，在过去的80年内冰川已经萎缩了80%以上。,南太平洋岛国图瓦卢将第一个没入海洋,台风期间成为泽国,图瓦卢唯一的主干道,空中俯瞰图瓦卢,世界上最美的地方马尔代夫,位于印度洋上、斯里兰卡西南部的马尔代夫领土横跨赤道，全国80
20、%以上的土地都由散落在周围约850公里范围内的珊瑚岛组成，陆地平均高度还不到海平面以上1米 。,内阁会议在水下6米潜水召开,2007年，联合国政府间气候变化专门委员会警告称，气候变暖引起海平面每年上升18至59厘米。按照目前的速度，到2100年，马尔代夫大部分领土都将被淹没 。总统纳希德建议在水下召开内阁会议，以引起国际社会关注。,海洋对消除温室效应的影响,海洋对全球变暖的作用主要源于它吸收二氧化碳和储存、传输热的巨大能力。 海洋植物和藻类的光合作用，从大气中转移出大量的二氧化碳；石灰石、碳酸钙骨架或贝壳的形成也能减少二氧化碳气体。但当石灰石沉积在陆上暴露、风干，或者在冲蚀作用区再循环，二氧化碳将被释放回大气。 全球变暖导致吸收二氧化碳能力较高的海洋硅藻类等浮游生物快速增长，而吸收二氧化碳能力更强的单细胞藻类生长相对较慢，从而限制了海洋的吸收能力，形成一个恶性循环。,
