海洋科学导论教案3-4章

第三章海水的理化性质第一节海水的温度、盐度和密度第二节海洋的热平衡第三节中国近海水温和盐度的变化规律第四节海水中的溶解氧和营养盐第一节海水的温度、盐度和密度一、温度海水的温度是海水分子运动的平均动能，是表示海水冷热程度的物理量。一般表层海水水温在-3℃至33℃左右，深处水温在0~4℃之间。二、盐度（S‰）盐度是表示海水中溶解盐类多少的物理量。分别有以下几个不同表示法。

1、总盐类：1kg海水中所有溶解物质（不含气体）的总克数。

2、盐度：1kg海水中全部碳酸盐转化为氧化物、Br和I被等当量的Cl置换、有机物氧化为无机物之后，所含固体物质的总克数。

第一节海水的温度、盐度和密度

3、氯度（Cl‰）：1kg海水中的溴和碘被氯置换后，所含氯离子的总克数。因所有海水组分均稳定，可以用氯度推算盐度。

S‰=0.03+1.805Cl‰“Marcet原则”（海水组成恒定性规律）尽管大洋海水的盐度是可变的，但其主要组份的含量比例却几乎是恒定的，不受生物和化学反应的显著影响，此即所谓“Marcet原则”，或称海水组成恒定性规律。世界海洋表面水温和盐度太平洋不同水深的温度和盐度

三、密度ρ

单位体积海水的质量。海水的密度随温度变化而变化。纯淡水4℃时密度最大，但海水最大密度的温度是变化的。生产中使用比重d，盐度和比重的关系为

S‰=（d-1）1305+（t-17.5）0.3

海水最大密度时的温度℃S‰05101520253035Tρ42.931.860.77-0.31-1.4-2.47-3.52世界海洋的温度盐度和密度以色列的死海由以色列和约旦共同拥有的死海，是世界上陆地最低的地方。它的湖面低于海平面400米以下。死海是世界上含盐量最高的大水域，平均含盐量高于海水的六倍，达200‰。死海实际上是一个内陆盐湖，由约旦河补充水分。游客在死海水面第二节海洋的热平衡

全球海洋在整体上热量的得失是基本平衡的，但某一特定的海区或某一特定时间段内热量的收支又是不平衡的。一、海洋的热收入

1、太阳辐射：太阳通过电磁波的形式向地球不断地辐射能量，称为太阳辐射。太阳常数：地日距离为平均距离时，在赤道上，50km高的大气顶层，阳光直射的强度为1.9卡/min.cm²，称为太阳常数。到达海面时，至少损失20%以上。

太阳自45亿年前开始热核反应，至今辐射强度约增加了30%，亮度增加了40%，直径增加了6%。太阳辐射的波长范围在0.15~4微米。其中：

0.15~0.4微米为紫外线，占能量的7%，

0.4~0.76微米为可见光，占能量的50%，

0.76~4微米为红外线，占能量的43%。

太阳高度：太阳与观测点的连线和海面的夹角。

2、散射：大气分子和尘埃分散照射至海面的光能。在赤道上，直接辐射是200卡/d.cm²，散射是165卡；两极直接辐射约39卡，散射约36卡。

3、大气逆辐射：大气以4-80微米的长波形式向海面辐射能量。很少

4、海底地热：很少太阳光谱图解太阳光不同波长的辐照度世界年太阳辐射总量

二、海洋的热支出

1、反射：照射到海面的阳光以原波长反射回空中。

约占总支出的8%。太阳高度约6°时，反射和折射各占一半，40°时，反射只有来光的3.5%。

海面反射率、折射率与太阳高度的关系

H051015202530405060708090反射率10058.535.519.513.58.86.03.52.52.22.12.10折射率041.565.080.586.591.294.096.597.597.897.997.91002、海面长波辐射：海水吸热后以长波形式（波长＞4微米）向上辐射能量。约占40%。3、蒸发：海面通过蒸发使水分子变成水气，减少海洋水量，在带走一部分热量的同时还吸收原海水的热量，使海面温度降低。蒸发散热的速度取决于海面海—气的温差和风速，温差大风速快失热也快，约占总失热的50%。1ml海水完全蒸发带走的蒸发热是586卡，海洋上每年平均蒸发量是1060毫米，蒸发失热是十分惊人的。

纬度0°海区，总收入370卡/d.cm²，总支出330卡。纬度40°海区，收入270卡，支出280卡。纬度90°海区，收入75卡，支出157卡。收入与支出不平衡部分靠海流补充。卡：将1g纯水在1个大气压下升高1°C所需热量。1卡=4.18605焦耳第三节中国近海水温与盐度的变化规律一、中国近海的水温变化中国近海海区年度总的热量平衡是支出大于收入，除南海基本平衡外，其他三个海区每年平均亏17万焦耳/cm²，亏损的热量靠黑潮补充。黑潮是位于太平洋西岸的自南向北的巨大暖流，年输水量达900万亿m³，是长江流量的1000倍，来水温差在3-7℃之间。1、冬季：表层水温南北地区差很大，达30℃左右，渤海-1~1℃；黄海0~10℃；东海8~21℃；南海18~28℃。2、夏季：南北海区温差很小，小于5℃。渤海24~25℃；黄海24~26℃；东海27~28℃；南海28~29℃。3、年均水温：渤海11℃；黄海14℃；东海22℃；南海26℃。

4、垂直分布：冬季上下层水温接近，无温度跃层，夏季上下温差较大，达10℃以上。在10~20m水深处出现温跃层。

跃层：由于海水混合不充分，水温等理化指标在某一水深发生明显变化，使得海水分为上下两层，称为跃层。如温跃层、盐跃层等。渤海海区冬季10月-5月间，上下水温接近，夏季6-8月，表层水25℃左右，10m以下10~18℃之间。秦皇岛海区各月表层水温1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月-1.4-0.82.79.015.420.725.026.622.716.08.30.9二、中国近海的盐度变化

盐度的变化主要受降雨、陆地径流和蒸发量的影响。夏季水温高、蒸发量大，但同时降雨量也大，河水流入多，盐度变化剧烈。冬季盐度稳定。渤海海区盐度在31.5‰以下，沿岸甚至低于26‰。黄海海区盐度在31~32.5‰之间。东海海区在33~34‰之间，长江口夏季盐度很低，只有4~10‰。南海在32~33.5之间。河口区域海淡水发生混合第四节海水中的溶解氧和营养盐一、溶解氧（DO）

1、溶解氧的概念：溶解于1L海水中的氧气的毫克数或（在0℃、1个大气压下的）毫升数，用mg/L或ml/L表示。海水的溶氧值一般在0~8.5ml/L之间，随温度、盐度、生物因素等的变化而变化。因为氧气的比重为1.429mg/ml，所以多少ml/L=该值×1.429mg/L.2、溶氧饱和值：在一定温度和盐度下，海水中的氧气和空气中的氧气达到平衡时的溶氧值称为溶氧饱和值。并非最大值。实际溶氧小于饱和值时，溶入的速度将大于逸出的速度，溶氧会上升；反之，逸出将快于溶入，溶氧值会下降。便携式溶氧测定仪

3、溶氧的饱和度：实际溶氧值/该温度盐度下的饱和值×100%。

不同T、S‰下的海水溶氧饱和值mg/LS‰T0‰10‰20‰30‰35‰0℃10.299.659.008.368.0410℃8.027.577.096.636.4120℃6.576.225.885.525.3530℃5.575.274.954.654.504、影响海水溶解氧含量的因素水中（海水和淡水）溶解氧含量受到两种作用的影响：一种是使DO下降的耗氧作用，包括好氧有机物降解的耗氧；生物呼吸耗氧。另一种是使DO增加的增氧作用，主要有空气中氧的溶解，水生植物的光合作用等。这两种作用的相互消长，使水中溶解氧含量呈现出时空变化。如果水中有机物含量较多，其耗氧速度超过氧的补给速度，则水中DO量将不断减少，当水体受到有机物的污染时，水中溶解氧量降低甚至可接近于零，这时有机物在缺氧条件下分解就出现腐败发酵现象，使水质严重恶化，以致使水生植物大量死亡，水面发黑，水体发臭，形成“死湖”、“死河”、“死海”，进而变成沼泽，原有的生态平衡被破坏。二、PH值1、概念：PH值是氢离子的活度，表示海水的酸碱度，由氢离子的浓度计算得出。2、实际值：海水的PH值一般在7.5~8.2之间，始终呈弱碱性。大洋海水在8.0~8.1之间，十分稳定。3、影响因素：藻类光合作用使CO2减少，碳酸根离子减少，PH值会升高。反之，海洋动物的呼吸会使PH值下降。陆地径流会使PH值下降。

光合作用反应式6CO2+12H2O→C6H12O6+6H2O+6O24、海区差别：水平方向，近岸比外海PH值低。垂直方向，表层海水PH值高于深层海水。5、季节差别：夏季PH值略高于冬季，年变化幅度小于0.5三、营养盐

海水藻类吸收溶解在海水中的无机盐才能生存，广义上所有藻类吸收的无机盐均是营养盐，狭义上是指海水中含量较低、制约藻类生长的硝酸盐、磷酸盐和硅酸盐。1、硝酸盐：主要是NaNO3和KNO3。在近岸海区，由于河水的流入和植物光合作用，硝酸盐含量很不稳定。大洋海区相对稳定，表层由于浮游植物的吸收含量很少，水深1000m水层由于海洋生物尸体分解产生大量硝酸盐而几乎没有吸收，形成最大值。约40毫摩尔/吨。海水中的氮主要是分子氮，占95%。化合态有机氮和无机氮各占一半。无机氮又有铵盐、硝酸盐和亚硝酸盐的形式。海水中的溶解元素海水中氮的循环2007年我国近岸海域海水无机氮含量

2、磷酸盐：变化规律与硝酸盐相似，也是在1000m深层形成最大值，约3毫摩尔/吨。3、硅酸盐：硅藻大量消耗硅酸盐，因为硅主要存在于动物的骨骼和细胞壁，分解慢，有时沉入海底后慢慢分解。故底层含量高，100~200毫摩尔/吨。2007年中国近岸海水磷酸盐含量第四章海水的光学特性第一节光与海洋生物的关系第二节光在海水中的传播第三节海水的透明度和水色第一节光与海洋生物的关系一、光照的必要性

光照是海洋环境中最重要的生态因素之一，它直接影响海洋中有机物质的生产。也是所有海洋植物和海洋动物能够生存的必要条件。太阳辐射是海水中热量的主要来源，不仅对海洋生物生活有重要影响，对地球上的生命活动都具有直接或间接的重要作用。

补偿点：海洋植物光合作用产氧量等于呼吸作用耗氧量时的光照强度。照度低于此值，植物不增重。它是植物生长的最低光照。饱和光强在低光照条件下，光合作用速率与光强成正比关系。随着光强的继续增加，光合作用速率逐渐达到最大值，这种光强称饱和光强，即光合作用速率不再随光强增加而上升。如果光强继续增加，光合作用会因光照过度而受到抑制，光合作用速率将下降。二、光照与海洋植物的垂直分布生活在浅海的植物由沿岸浅海向下依次为绿藻、褐藻和红藻。带状分布的原因：植物对光照强度适应的结果；植物对水中光照性质即颜色适应的结果。在沿岸，海面光照为1000w/m²，30m水深处光照约为10w/m²，是大多数浮游植物的感光极限。180m水深处光照约为10的7次方分之一w/m²，是鱼类的感光极限。在大洋，150m水深是浮游植物感光极限，1000m是底栖鱼类的感光极限，仅有10的11次方分之一w/m²。三、光照与海洋动物的垂直分布光照条件的差异，可以改变浮游动物的分布水层。浮游动物的垂直分布具有季节变化。某些种类的海洋动物其生活史的不同时期分布于不同水层。海洋动物具有昼夜垂直移动现象。

“最适光强”：浮游动物停留在最适光强区，当光照超过其最适光强时，动物表现为负的向光性；低于最适光强时，表现为正的向光性。

水蜗牛的身体已经完全透明，壳已经退化，脚进化成肌肉发达的鳍。由于没有阳光，眼睛特别发达，突出在身体外，捕捉细微光线，观察所有经过的猎食对象。

水蜗牛一只变色鱿鱼正在吞噬自己的同类，变色鱿鱼能随环境变化而改变身体颜色，在深海1800米以下，一些生物眼中的海水是淡红色的，因此它将自己变成红色。被吞噬的鱿鱼低级一些，它不仅不会改变颜色，还进化成致命的白色。在深海，白色是最危险的颜色。变色鱿鱼四、不同的光质对海洋生物的影响

不同光质（波长）对植物的光合作用、色素形成、向光性、形态的形成影响不同。光合作用的光谱范围只是可见光区。可见光对动物生殖、体色、迁徙、生长、发育都有影响；不可见光对生物的影响也是多方面的。能变色的玫瑰毒鱼第二节光在海水中的传播一、反射和折射

光线照射在海面上，一部分反射回空中，一部分折射入海水。入射角为i，折射角为r，则Sini=nSinr

式中n值随海水温度、

盐度而变化，一般在1.34左右。太阳高度

大于5°，入射能即大

于反射能。

水中物体的弯折现象二、光线在海水中的衰减折射入海水的光线，一部分被水分子和悬浮物吸收（温度升高），一部分向四周散射，使得原方向光照减弱，称为衰减。衰减系数k=吸收系数+散射系数，k越大，衰减约迅速。K值大小与光的波长和海水清洁度有关。K的倒数约等于透明度的数值。太阳辐射在海水中不同深度的光照强度：ID和I0分别表示在深度D处和海面的光强；K称衰减系数；e为自然对数的底；D是深度。不同波长光线的衰减系数由本图可见，波长0.5~0.6微米之间的蓝绿光衰减系数最小，也就是透过率最大，称为透明窗，尤其沿岸水更加明显。海水为什么呈蓝色？站在岸边看海水的颜色称为海色，清洁的海水一般都呈蓝色，原因主要是散射光以蓝绿光居多。雷莱定律：水中悬浮物周长大于波长时，散射系数反比于波长的2次方；悬浮物周长小于波长时，散射系数反比于波长的4次方。清洁的海水悬浮物很小，蓝绿光散射极多，浑浊的沿岸水蓝绿光散射相对减少。海面下不同水深光能的分布水深cm波长μ0.00.11.01001000100000.3-0.623.723.723.722.917.21.40.6-0.936.035.935.312.91.0--0.9-1.217.911.212.3------1.2-1.58.76.31.7------1.5-1.88.02.7--------1.8-2.12.5----------2.1-2.42.50.1--------2.4-3.00.8----------总和10085.973.035.818.21.4第三节海水的透明度和水色一、海水的透明度

相对透明度：直径为30cm的白色圆盘在海水里的最大可见深度。单位是米，L=1/K,即透明度的值约为衰减系数K的倒数。

相对透明度受到天气和观测者视力的影响，有一