海洋环境基础

航道测量学第二章海洋环境基础主要内容地球形状与海洋地形海洋物理基础知识海流海浪海啸潮汐可见的海洋现象由于地球自转引起的海洋活动——海流OCEANCURRENT由于风力引起的海洋活动——海浪WAVE由于地质活动引起的海洋活动——海啸TSUNAMI由于地球和太阳系天体的作用引起的海洋活动——潮汐TIDE2.1地球形状与海洋地形1、地球自然表面：形状非常复杂，有高山、丘陵、平原、河谷、湖泊及海洋。世界上最高的山峰珠穆朗玛峰高达8844.43m（2005年），而太平洋西部的马里亚纳海沟则深达11034m。2、大地水准面：静止的海水面向大陆延伸所形成的一个封闭的曲面。3、铅垂线：重力方向线。铅垂线与大地水准面处处正交。大地水准面地球表面低密度矿体高密度矿体地球表面大地水准面•地球椭球由于地球内部物质分布的不均匀性，使得地面上各点铅垂线方向产生不规则的变化，这将造成大地水准面实际上是略有起伏而极不规则的光滑曲面。使测量数据的处理和成图是极其困难的，甚至是无法实现的。•地球椭球体：以接近大地体的旋转椭球体来代替大地体的旋转椭球。用a表示椭球体的长半轴，b表示短半轴，以f表示地球椭球的扁率。•总地球椭球体：与大地体最接近的地球椭球。•参考椭球：局部与大地体密合最好的地球椭球。NSOaababa1222222fbzayax2.1.1地球形状我国所采用的参考椭球有：新中国成立前的海福特椭球；新中国成立初期的克拉索夫斯基椭球。1978年我国根据自己实测的天文大地资料推算出适合本地区的地球椭球参数，从而建立了1980西安大地坐标系，并将大地原点设于陕西省泾阳县永乐镇。2.1.1地球形状海面地形海岸地形海底地形海洋地形2.1.2海洋地形1）海面地形海面地形——海面由于受潮力、风、流、海洋水文、气象、重力、地球自转等因素的影响而处于不停的运动和变化之中。沿用陆地地形的概念，把海面相对于大地水准面的起伏称为海面地形。瞬时海面——瞬时海面地形平均海面——似静态海面地形没有潮汐影响的海面地形有3~4米。动态海面地形海面地形的测量验潮与精密水准联测海洋水准卫星测高2）海岸地形海岸线——海洋与陆岸的交界线。一般地图上的海岸线是现代平均高潮线。海岸带——海岸线向陆、海两侧扩展一定宽度的带状区域。我国采用向陆地扩展10公里，向海里扩展15米。与陆地测量的方法基本相同3）海底地形海底地形：海洋底部高低起伏的复杂程度不亚于陆地，既有高山深谷，也有平原丘陵，而且在规模上非常庞大，外貌上更为壮观。3）海底地形据海底地形的基本特征，一般把海底地形分为大陆边缘（分为大陆架、大陆坡、大陆隆）、大洋盆地、大洋中脊；•大陆边缘：大陆与海洋的边缘地带。•大洋盆地：海洋的主题，其周边与大陆基相连，也有与海沟或岛弧直接相连。•大洋中脊：屹立于大洋底部的巨大山脉。3）海底地形A大陆边缘大陆边缘一般包括大陆架、大陆坡、大陆基(亦称大陆隆)；太平洋的大陆边缘占太平洋总面积的10.2％，其中大陆架5.5％，大陆坡3％，大陆基1.7％约占海洋总面积的22%。*大陆架大陆架：毗连大陆的浅水区域和坡度平缓的区域；地质学上认为是大陆在海面以下的自然延续部分；取海岸线到水深200米以内；平均深度133米;宽度1~10000km，平均74km；平均坡度0.1度地壳为硅质花岗岩构成，浪、潮、流季节变化，丰富的油气田，渔业、养殖业主要场所。*大陆坡大陆坡——大陆架外缘较陡倾斜的地区；号称“地球上最大最陡的斜坡”平均坡度4.3度，宽度15~90km，深度200~2500m地形——深且陡峭的v型海底峡谷，大陆坡上最显著的地貌，有的谷深达2000到3000米。*大陆隆大陆隆——大陆坡外向洋盆缓慢倾斜的平坦地区，面积大，平坦，深度2500~4500m，平均3700m。其它地貌：海沟海沟——分布在大陆边缘与大洋盆地的交界处，是海洋中的最深区域，深度一般超过6000米;世界海洋总共有30多条海沟，约有20条位于太平洋。其他地貌：岛弧岛弧——呈弧形排列的群岛。弧形凸面朝向海洋，岛弧外侧常有深的海沟，是分割大洋盆地和边缘盆地的重要构造地貌单元。板块学说认为，岛弧是大洋板块向大陆板块俯冲时，大陆板块受挤上拱，隆起而成，岛弧属构造活动地区，有强烈的地震和火山活动。B大洋盆地大洋盆地：海洋的主体，指大洋中脊坡麓与大洋边缘之间的广阔洋底；其周边与大陆基相连，也有与海沟或岛弧直接相连；大洋盆地的主要部分是水深4000~5000m的开阔水域，称深海盆地；深海盆地中最平坦的地区称深海平原。占海洋总面积的45%。C大洋中脊大洋中脊：屹立于大洋底部的巨大山脉。相对高度3000米以上，连绵数万公里。占海洋面积32.7%；全球大洋中脊•大洋的脊梁就是大洋中脊，它决定着海洋的成长。大洋中脊三类海底地形的面积和比例地形单元面积102KM2占海洋面积%占地球面积%大陆边缘大陆架、大陆坡大陆基岛弧、海沟55.019.26.115.35.31.710.93.81.2大洋盆地深海盆地火山、海峰等海底高地，海岭151.55.75.441.81.61.529.71.11.1大洋中脊118.632.723.2小结：海洋测量的内容海面地形海岸地形海底地形•几何水准•海洋水准•卫星测高•确定海岸地物和地貌的平面位置和高程•同普通地形测量•确定海底地物和地貌的深度和平面位置2.2海洋物理基础知识海洋环境的特殊性水中的含氧量少高压区域:1个大气压为760毫米汞柱，等于10米水注。每下潜10米深度就相当于增加1大气压。低温场所:人员和仪器工作困难动荡环境：海上观测到的最大的浪高为30多米。水下通信困难:光穿透能力有限，挡住人们的视线。陆地上的电磁波在海水上衰减的厉害。得天独厚的只有声波；但声波传播速度慢，水下的通讯手段远不如陆地上那么有效和先进。海洋仪器腐蚀或失效。海洋环境的特殊性黑暗世界水对光线有强吸收作用。即使光线强烈，太阳光也是只能照射到水下40米左右的深度。水对光线的吸收量比空气大千倍以上，而且水越混浊吸收量就越大。天气晴朗，光线在空气中每行进1000米，约有5%~10%的光线被吸收。可见光在自来水中每行进1米，被吸收25%以上；在暴雨后混浊的河水和沿岸海水中，每行进1米，就要被吸收掉85%~95%。水吸收光线的另一个特点是随着深度的增加，按光波的长短顺序逐个吸收，一般来说，长波光线先被吸收，短波光线后被吸收。例如：人们在水中很少看到红色光。红光是长波光，10米的表层内首先被水吸收掉。主要内容海水的物理特性光、电、声在海水中的传播盐度温度密度海水的物理特性•海水是指含有多种溶解固体和气体的水溶液，其中水约占96.5％，其他物质约占3.5％。•人们在陆地上发现的100多种元素，海水中就有80多种，其化合物的种类则更多。•海水的组成成分主要来源于地球体的释放、陆地沉积物以及突出在海中的玄武岩等与海水的化学反应。•海水的成分I.海水的盐度海水盐度——1千克海水中的含盐量（克），采用符号S(‰)表示。480度加热48小时利用“海水组成恒定性”，测定出其中其一主要成分的含量，便可推算出海水盐度。就海洋表面而言，盐度主要与降水量、蒸发量有关。降水量比蒸发量大的海区，盐度小；反之盐度大。另外，附近有陆地淡水汇入或有寒流经过也可以降低盐度。表层盐度分布与气候关系很密切，中高纬度地区，北大西洋最高，南大西洋、南太平洋次之，北太平洋最低。极地盐度偏低与结冰、融冰有关。盐度的数量概念全球海洋海水盐度的平均值：34.7‰全球海洋海水盐度的变化范围：32‰~38‰之间全球海洋海水盐度的最大值：41‰（红海）全球海洋海水盐度的最小值：10‰（波罗的海）在盐度42‰的海面上，人可仰卧在水面上看书写字世界大洋盐度分布•大洋表层的海水受蒸发、降水、洋流和陆地径流等的影响，盐度分布不均。•根据大洋中盐度分布的特征，可以鉴别水团和了解其运动的情况。•在研究海水中离子间的相互作用及平衡关系，探索元素在海水中迁移的规律和测定溶于海水中的某些成分时，都要考虑盐度的影响。•此外，因为实际工作中往往难以在现场直接准确测定海水的密度，所以各国通常测定盐度、温度和压力，再根据海水状态方程式计算密度。1、两极附近、赤道区和受陆地径流影响的海区，盐度比较小；2、在南北纬20度的海区，海水的盐度则比较大；南盐度变化图北II.海水的温度收入：太阳辐射支出：蒸发温度的数量概念全球海洋表面年平均水温为17.4℃，比全球年平均气温14.3℃高出3.1℃。在1000米深处的水温约为4℃~5℃；在2000米深处的水温约为2℃~3℃；全球海洋平均温度为3.5℃。III.海水的密度海水的密度——单位体积海水所具有的质量。海水密度是海水温度、盐度、压力的函数。密度变化赤道地区密度小，约有1.0230。由赤道向两极变大，可达到1.0270以上．海水密度随深度的增大向下递增．约从1500米深度开始，变化越来越小.小结：海水的性质海水温度海水盐度海水密度分布规律由赤道向两侧递减随深度增加而递减由副热带海区向两侧递减随深度增加而递增赤道小，两极大随深度的增大向下递增影响因素太阳辐射洋流地形气象降水量和蒸发量之差河川径流、洋流、海区封闭程度温度盐度深度小结：各种性质的分层•混合层：海洋的表层（厚度约为100米），受太阳的辐射的加热作用，海水温度较高，密度小，但由于风和波浪的搅拌作用，形成一个基本匀质的水层；称为上混合层，或者季节变化层；•随着海水深度的增加，温度降低，密度增高，在上混合层之下，存在着一个厚度约1000~1500米的跃层，海水温度和海水密度、盐度随着海水深度增加而呈现阶越性变化。•跃层之下更深的水层中，温度、盐度、密度的垂直分布几乎处于均匀状态，这一水层称为深海层。为什么讲海水的性质海水性质的变化规律影响光声电的传播规律折射率——海水温度、盐度、密度的函数光电声在海水中的传播长期以来，人们主要利用光、声、电技术来研究海洋；卫星技术用于研究海洋以后，光、声、电技术在探索海洋、研究海洋、开发海洋资源中，发挥了更大的作用。一、光波在海水中的传播名称频率范围(Hz)波长(µm)远红外0.3×1012~3.0×10121000~100中红外3.0×1012~1.0×1014100~3近红外1.0×1014~4.3×10143~0.7可见光4.3×1014~7.5×10140.7~0.4紫外光7.5×1014~3.0×10160.4~0.01名称波长(µm)红0.62~0.76橙0.59~0.62黄0.56~0.59绿0.50~0.56青0.47~0.50蓝0.43~0.47紫0.38~0.43•20120924光波在海水中的传播吸收过程——光子能量转变为热能、化学能等引起的多种热力学不可逆过程。散射过程——受介质微粒作用而使光偏离直线传播方向的光辐射。两个基本过程：水对光线的传播特点光线在水中的衰减比空气大千倍以上；水是光的不良导体；水越混浊衰减越大；随着深度的增加，按波长长短顺序逐个吸收，一般来说长波先被吸收，短波后被吸收；例：光的吸收在天气晴朗时，光线在空气中每行进1000米，约有5%~10%的光线被吸收。可见光在蒸馏水中每行进1米，就被吸收10%以上。在自来水中每行进1米，被吸收25%以上在湖水中每行进1米，被吸收50%以上。在暴雨后混浊的河水和沿岸海水中，每行进1米，就要被吸收掉85%~95%；例：水中的视程水中的水平视程（能见度）通常为大气中视程的千分之一左右。水中目标的识别，取决于目标与的背景的对比度。对比度衰减长度清洁海水20米海岸带海水5米混浊水体若干厘米水平观察视程自然光照条件黑色目标4个衰减长度其它目标3.5个衰减长度夜晚自身发光目标15~20个衰减长度水中照相2~4个衰减长度例：大洋的颜色•海水的颜色是由海面反射光和来自海水内部的回散射光的颜色决定的。•由于蓝光和绿光在水中的穿透力最强，所以它们回散射的机会也就最大。所以，海水