物理海洋學（一）：海水理化性質

一、海水組成

海水主要由

水

（96。5%以上）、

無機鹽

（3。5%左右）、

有機物

和

懸浮物

組成。

從化學組分來看，海水中的溶質還可細分為營養鹽、氣體、痕量元素和有機化合物。

營養鹽主要為N、P和Si的化合物，受到海洋生物的吸收和釋放的影響，是非保守量。痕量元素是海洋中含量極小的無機成分，包括Li、I、Zn、Fe、Al和Mo等；含量雖少，但卻是某些生化反應的關鍵，例如Fe元素就是限制浮游植物生長的關鍵環境因子。海水中還溶解有氣體，其中N2、CO2和O2佔主流。海洋中有機物比較複雜，包括油脂、蛋白質、醣類、荷爾蒙和維生素複合物等，大多與海洋生物有關。

海水組成恆定性原理

：不同海域海水中無機鹽

絕對含量

不同，海水中主要無機鹽相互間的

比值

基本

恆定

。

二、海水物理性質

海水的物理性質的形成主要受水分子和其中無機鹽離子的影響。

水分子結構特殊，屬於極性分子，易以氫鍵的形式發生分子締合——水的沸點和熔點大幅提高，在常溫下能以液態形式存在。

在0~40攝氏度時，海水中78%~85%的水分子以締合形式存在；5個水分子締合為主，其餘多以單分子形式存在於海-氣交換介面。

（一）純水的性質——溶解力強、密度變化異常、熱性質特殊

溶解性強：水分子是極性分子，容易吸引溶質表面的分子或離子（特別是溶質由極性分子組成時）進入水中。

密度變化異常：純水在大氣壓力下，溫度為4℃時密度最大；4℃以上時密度隨溫度升高而減小，在4℃以下時密度隨溫度的升高而增大。主要原因在於，降溫形成的結構鬆散的水分子締合體體積減小效應與升溫分子熱運動加強帶來的體積膨脹效應相互博弈，在4℃取得極大值。

熱性質特殊：水分子之間透過氫鍵的相互締合使得水的沸點和熔點相較於同週期的氫化物（如氨氣、甲烷和氟化氫）要更高。因此在常溫下才會存在大量的液態水。

（二）海水的性質

1、基本性質

海水由於含有無機鹽，溶解性和腐蝕性更強。不遵循熱脹冷縮規律、最大密度溫度比純水更低、冰點比純水低沸點比純水高。

2、熱容、比熱容

海水的比熱容是大氣的四倍多，熱容量比大氣大得多。因此，海水的熱變化會極大地影響大氣，所以說“海洋是大氣的天然空調器”。

海水的定壓比熱容與鹽度、溫度成負相關關係

3、熱膨脹

海水的熱膨脹係數定義式為

當時，即熱膨脹係數由負變為正時，體積最小，密度最大。

另外，海水的熱膨脹係數會隨著溫度、壓力和鹽度的增大而增大。在低溫時，隨著壓力的增大更為顯著。

4、壓縮性

海水的壓縮係數隨溫度、鹽度和壓力的增大而減小，海水壓縮係數一般很小。海水壓縮可分為等溫壓縮和絕熱壓縮，壓縮係數為溫度、鹽度和壓力的函式，隨引數的增大而減小。壓縮性在聲波的傳播中至關重要。

5、絕熱變化和位溫

絕熱下沉

時，壓力增大使海水體積壓縮，外力對海水微團做功，內能增加溫度升高；

絕熱上升

時，壓力減小，體積增大對外做功，消耗內能溫度下降。

絕熱溫度梯度

就是海水絕熱過程的溫度變化隨著壓力（深度）變化的變化率。

某一深度的海水微團

絕熱上升

到海面時所具有的溫度稱為該深度對應的

位溫

。

分析大洋底層水時，水溫的差別較小，但絕熱變化帶來的溫度差異較大，為去除海水的可壓縮性導致的體積變化的影響，研究中常採用位溫。

一般將海面壓力定為參考壓力，由此計算得到的位溫總是小於現場溫度。

6、蒸發潛熱和飽和水汽壓

與純水不同，由於鹽的存在，海水錶面的水分子數密度更小，限制了海水的蒸發，因此對應的飽和水汽壓也較小（溶液濃度的依數性）。

影響蒸發的因素主要有溫度、表面積和風速。

熱帶氣旋、颱風和颶風的形成與蒸發密切相關。

7、熱傳導

主要為兩種形式：

分子

熱傳導（分子隨機運動引起，與海水性質有關）和

湍流

熱傳導（海水塊體隨機運動引起，與海水運動有關）。前者的數量級為10-1，後者為102~103。

8、粘滯性

由於水分子的無規則運動或海水塊體的隨機運動（湍流），兩層海水之間會存在動量傳遞，從而產生切應力。

分子運動引起的粘性較小，湍流引起的渦動粘性係數較大。

三、溫、鹽、密的概念及關係

（一）海水的鹽度

海水鹽度的定義總是與測量方法緊密聯絡在一起。

1、定義：1kg海水中所包含的溶質的總質量。

2、測量方法

Knudsen公式法（化學方法）：基於海水組成恆定性規律，用測定海水氯含量的方法來計算鹽度。

國際上採用氯度值為千分之19。374的大洋水（鹽度值為千分之35。000）作為

標準海水

。

電導方法：透過測定海水的電導率來推算鹽度值

3、國際標準

（1）實用鹽度標準：選擇一種精確濃度的氯化鉀（KCI）溶液作為可再製的電導 標準，用海水相對於KCI溶液的電導比來確定海水的鹽度。由此鹽度的測量就與氯度無關了。

為了照顧歷史資料，目前仍採用標準海水作為參考點。

（2）絕對鹽度：海水中溶質的質量與海水質量之比值。

（二）海水密度和海水狀態方程

海水的密度無法直接由儀器測得，一般是透過溫度、鹽度和壓力計算得出相應的密度。

海水狀態方程是描述海水密度與溫、鹽、壓等理化特徵參量之間關係的數學表示式。目前國際通用的TEOS-10方程，是以

絕對鹽度

、

溫度

和

壓強

作為變數Gibbs函式。

四、海冰

1、定義和分類

狹義：由海水凍結而成的冰為海冰

廣義：在海洋中所見到的冰統稱為海冰，包括鹹水 冰、河冰、冰山等。

按照

運動形態

分類：固定冰（與海岸、島嶼或海底凍結在一起的冰）和流冰（自由浮在水面上，能隨風、流漂移的冰）

按照發展階段分類：初生冰、尼羅冰、餅狀冰、初期冰、一年冰和多年冰等

按照存在時間分類：初期冰、一年冰和多年冰

2、結冰過程

低鹽海水（鹽度小於24。7）與淡水類似，是從表層開始結冰。高鹽海水（鹽度大於24。7）則不同。由於海冰冰點高於最大密度時的溫度，溫度降低海水的密度會增大，因此表層接近冰點的海水會下沉，次表層溫度更高的海水上升，表層一時不會結冰。只有當整個對流混合層內的水溫都達到冰點時，海水才會結冰，一旦結冰就會形成很厚的冰層。

3、物理性質

海水結冰時水分子相互締結，會將其中的鹽排擠出來，來不及流出的鹽分以滷汁的形式被包圍在冰晶之間的空隙中形成“鹽泡”。海水結冰時還會將來不僅溢位的氣體包圍在冰晶之間形成“氣泡”。

老冰經歷夏季的冰面融化，會排出鹽泡中的滷水，因此鹽度和密度均比新冰小。

海冰的熱傳導係數小於純水冰，因為海冰中含有氣泡，而空氣的熱傳導係數很小。海冰限制了海洋向大氣的熱量輸送，而且也使海洋的蒸發失熱大為減少，從而形成了海洋的保溫層。

4、海冰對海洋、氣候的影響

（1）減慢流速、降低波高、阻礙潮汐和潮流

（2）對太陽輻射的高反射率、海冰較小的熱擴散係數阻礙海氣之間的熱交換

參考文獻

［1］馮士筰， 李鳳歧， 李少菁。 海洋科學導論［M］。 高等教育出版社， 1999。

［2］董昌明。 物理海洋學導論［M］。 科學出版社，2019。