第三章 海洋的声学特性
本章从声学角度讨论海洋、海洋的不均匀性和多变性，弄清声信号传播的环境，有助于海中目标探测、声信号识别、通讯和环境监测等问题的解决。
3.1 海水中的声速
声速：海洋中重要的声学参数，也是海洋中声传播的最基本物理参数。
海洋中声波为弹性纵波，声速为：
s c ρβ1
=
式中，密度ρ和绝热压缩系数s β都是温度T 、盐度S 和静压力P 的函数，因此，声速也是T 、S 、P 的函数。
1、声速经验公式
海洋中的声速c （m/s ）随温度T （℃）、盐度S （‰）、压力P （kg/cm 2）的增加而增加。 经验公式是许多海上测量实验的总结得到的，常用的经验公式为：
较为准确的经验公式：
STP P S T c c c c c ????++++=22.1449
式中，4734221007.510822.2104585.56233.4T T T T c T ---?-?+?-=?
()()2235108.735391.1-?--=-S S c S ?
4123925110503.310451.3100279.11060518.1P P P P c P ----?-?+?+?=?
()[
][][]T
P T T P T T T P PT
P P T S c STP 31021012382546214310745.110286.910391.210644.6103302.110796.21009.21096.11061.210197.135----------?-?+?-+?-?+?-+?-?-?+?--=? 上式适用范围：-3℃ 35‰；经常用深度替代静压力，每下降10m 水深近似增加1个大气压的压力。 声速c 的数值变化虽然微小，但它对长距离传播声线的分布、射程、传播时间等量的影响很大，因此需要有准确的声速数值。但上式计算比较繁琐，在精度要求不太高时，可使用比较简单 式中，压力P 单位是大气压， 25/10013.11m N atm ?=。 2、声速测量 常用的测量仪器设备为：温度深度记录仪和声速仪。 温度深度记录仪通过热敏探头测量水中温度，同时通过压力传感器给出深度信息，这样就可以转换给出声速。 声速仪是声学装置，它是通过测量发射高频短脉冲次数。它用“声循环”原理工作：前一个脉冲到达接收器，触发后一个脉冲从发射器发出，记录每秒钟脉冲的发射次数f ，发射器和接收器的距离L 已知，则声速为：c=fL 。 3、海洋中的声速变化 实测海洋的等温线和等盐度线几乎是水平平行的，也就是说，声速近似为水平分层变化。因此，在海洋中声速()()z c z y x c =,,，z 为垂直坐标，x 、y 为水平坐标。声速梯度： P P S S T T c g a g a g a dz dc g ++== 式中，T g 、S g 、P g 分别为温度梯度、盐度梯度和压力梯度；T a 、S a 、P a 分别为声速对温度、盐度和压力的变化率（偏微分）； 根据乌德公式，则得： T a T 0074.021.4-=（m/s ）/℃ 14.1=S a （m/s ）/‰ 175.0=P a （m/s ）/atm 声速梯度：()P S T c g g g T g 175.014.10074.012.4++-= （1）典型深海声速剖面 温度垂直分布的“三层结构”： ? 表面层（表面等温层或混合层）：海洋表面受到 阳光照射，水温较高，但又受到风雨搅拌作用。 ? 季节跃变层：在表面层之下，特征是负的温度 梯度或声速梯度，此梯度随季节而异。夏、秋 季节，跃变层明显；冬、春（北冰洋）季节， 跃变层与表面层合并在一起。 ? 主跃变层：温度随深度巨变的层，特征是负的 温度梯度或声速梯度，季节对它的影响微弱。 ? 深海等温层：在深海内部，水温比较低而且稳 定，特征是正声速梯度。 有一声速极小值。解释一下深海的温度分布。 （2）温度的季节变化、日变化和纬度变化 温度的季节变化和日变化主要发生在海洋上层。 图为近百慕大海区温度随月份的变化情况，夏季既有表面等温层，又有表面负梯度层；冬季有很深的表面混合层。季节变化对海洋深处的温度影响较小。 日变化：高风速——中午表面温度，受高风速的作用，出现明显的混合层；低风速——表面呈现负温度梯度，在早晨，可能出现正温度梯度。 在低纬度海域，主跃变层的深度较深；在高纬度海域，声速正梯度一直延伸到接近海洋表面。 （3）浅海声速剖面 浅海声速剖面分布具有明显的季节特征。在冬季， 大多属于等温层的声速剖面，夏季为负跃变层声速梯度 剖面。 前面，我们将温度和声速看成不遂时间变化，只随 深度变化，这是海洋描述声速变化的粗略近似，等温层 是宏观而言，微观而言温度随时间起伏变化的。一般，温度起伏在下午和靠近海面到达最大。 温度起伏的原因多种多样：湍流、海面波浪、涡旋和海中内波等因素。在水声学中，经常将声速表示称为确定性的声速垂直分布与随机不均匀声速起伏的线性组合：()c z c c ?+=。 宏观而言，声速分布分成四类： （1）深海声道声速分布 图中（a ）和（b ）为深海声道典型声速分布，在某一深度m z 处有一声速最小值。而这不同之处：图（a ）表面声速小于海底声速；图（b ）表面声速大于海底声速。 （2）表面声道声速分布 图中（c ）为表面声道声速分布，在某一深度m z 处有一声速极大值。 形成原因：在秋冬季节，水面温度较低，加上风浪搅拌，海表面层温度均匀分布，在层内形成正声速梯度分布。 （3）反声道声速分布 图中（d ）为反声道声速分布，声速随深度单调下降。 形成原因：海洋上部的海水受到太阳强烈照射的结果。 （4）浅海常见声速分布 图中（e ）为浅海常见声速分布，声速随深度单调下降。 形成原因：海洋上部的海水受到太阳强烈照射的结果。 图（e ）与图（d ）不同之处：前者是浅海中的负速度分布，需计入海底对声传播的影响。 3.2 海水中的声吸收 1、传播衰减概述 声波传播的强度衰减（传播损失）原因： （1）扩展损失（几何衰减）：声波波阵面在传播过程中不断扩展引起的声强衰减。 （2）吸收损失：均匀介质的粘滞性、热传导性以及其它驰豫过程引起的声强衰减。 （3）散射：介质的不均匀性引起的声波散射和声强衰减。包括：海洋中泥沙、气泡、浮游生物等悬浮粒子以及介质本身的不均匀性和海水界面对声波的散射。 在理想介质中，沿x 轴方向传播的简谐平面波声压可写成为： ()[]kx t i p p -=ωexp 0 平面波声压幅值0p 和声强20p I ∝均不随距离x 变化的常数，因而，平面波波阵面不随距离扩展， 没有扩展损失。传播损失表示声传播衰减： ()()()dB x I I TL 01lg 10== 即在理想介质中，平面波的TL 等于0dB 。 在理想介质中，沿r 方向传播的简谐球面波声压可写成为： ()[]kx t i r p p -=ωexp 0 平面波声压幅值r p 0和声强220 r p I ∝均随距离r 变化，因而，球面波TL ： ()() ()dB r x I I TL lg 201lg 10== 一般，可以把扩展损失写成： ()dB r n TL lg 10?= 根据不同的传播条件，n 取不同的数值： （1）0=n 适用管道中的声传播，平面波传播，0=TL 。 （2）1=n 适用表面声道和深海声道，柱面波传播，r TL lg 10=，相当于全反射海底和全 反射海面组成的理想波导中的传播条件。 （3）23=n 适用计及海底声吸收时的浅海声传播，r TL lg 15=，相当于计入界面声吸收所 引起的对柱面波的传播损失的修正。 （4）2=n 适用于开阔水域（自由场），球面波传播，r TL lg 20=。 （5）3=n 声波通过浅海声速负跃变层后的声传播，r TL lg 30=。 （6）4=n 适用偶极子声源或计及平整海面虚源干涉的远场声传播，r TL lg 40=，相当于 计入声波干涉后，对球面波传播损失的修正。 在介质中，声吸收和声散射引起的声传播损失经常同时存在，很难区分开来。 假设平面波传播距离d x 后，由于声吸收而引起声强降低d I ，则 Idx dI β2-= 式中，0>β是比例常数，负号表示dI 是声强的负标量（0 ()x e I x I β20-= 对上式取自然对数得 ()?? ????= x I I x 0ln 21β 也可表示为： ()??? ???=x p p x 0ln 1β 声压振幅的自然对数衰减为无量纲量，称为奈贝（Neper ）。上式为单位距离的奈贝数，Neper/m 。 实际上，经常将声强写成下式： ()10010x I x I α-= 则有 ()()?? ????=??????=x p p x x I I x 00lg 20lg 10α 式中，α称为吸收系数。声强之比的以10为底的对数为贝尔（Bel ），贝尔值的10倍称为分贝（dB ）。吸收系数α单位是单位距离的分贝数，dB/m 。 ()ββα68.8lg 20ln lg 200==?? ?????=e x p p e x 即1Neper=8.68dB 。声吸收引起的传播损失为（吸收系数乘上传播距离）： ()() ()()111lg 10>>=-==x x x x I I TL αα 总传播损失（扩散加吸收）等于 均匀介质的经典声吸收：k αααη+=，其中ηα为介质切变粘滞的声吸收系数；k α为介质热传导声吸收系数。实际吸收系数的测量值远大于经典吸收系数理论值，两者差值称为超吸收。 2、纯水和海水的超吸收 1947年，Hall 提出了水的结构驰豫理论，成功解释了水介质的超吸收原因。图中曲线A （Hall 理论计算曲线）和B （经典声吸收）垂直坐标之差为纯水的超吸收。 （P378－380） 海水声吸收系数随频率变化的测量值见下图，海水超吸收原因：海水中含有溶解度较小的 MgSO 4，它的化学反应的驰豫过程引起超吸收。 MgSO 4的化学反应的平衡被破 坏，达到新的动态平衡，这种化学的驰豫过程，导致声波的 吸收。 Schulkin 和Marsh 根据2~25kHz 频率范围内所作的大量 测量结果，归纳的半经验公式： km dB f f B f f f Sf A T T T /2 2++=α 式中，21089.1-?=A ；21072.2-?=B ；S 为盐度（‰）；f 为声波频率（kHz ）；T f 为驰豫频率（kHz ）： 2731520 6109.21+-?=T T f 式中，T 为摄氏温度（℃）。驰豫频率随温度升高而增加（3℃~30℃，73kHz~206kHz ）。 ? 主要是MgSO 4驰豫现象引起的吗？实验结果：海水中含有溶解度很大的NaCI ，NaCI 的存在 使得海水超吸收反而下降。这是由于NaCI 对水的分子结构变化产生影响所致。在高频，NaCI 浓度越大，吸收越小。 ? 在5kHz 频率以下低频，声吸收又明显增加，比S-M 公式所给的结果更大，为什么？这是由 于海水还存在包括硼酸在内的其它化学驰豫现象。 Thorp 给出了低频段（驰豫频率约为1kHz ）吸收系数的经验公式： km dB f f f f /41007.401102.022 22+++=α 上式适用4℃温度附近的吸收系数。在低频，若计入纯水的粘滞系数，则吸收系数为： km dB f f f f f /1006.341007.401102.0242 222-?++++=α 吸收系数与压力的关系：随压力的增加而减小： () H 501067.61-?-=αα 式中，0α为水面吸收系数值；H 为水深（m ）。深度每增加1km 其吸收系数减小6.7%。 对于不同声波频率，应选择不同的经验公式，来计算海水的吸收系数。 3、非均匀液体中的声衰减 一般海水含有各种杂质，入气泡、浮游生物、悬浮粒子以及湍流形成温度不均匀区域等——海水的非均匀性，它将增加海水的声传播损失。 含有气泡群的海水具有非常高的声吸收： ? 热传导效应：气泡压缩、膨胀，内部温度升高，发生热交换，声能转化为热能而消耗掉。 ? 粘滞性：海水对气泡压缩、膨胀的粘滞作用，也消耗部分声能。 ? 声散射：气泡压缩、膨胀形成二次声辐射，对入射声产生散射，使声能明显减小。 海洋内部气泡密度很小，可以忽略它对声吸收的影响。在有风浪的海面附近，由于风浪的搅拌作用，会产生许多气泡，影响声传播。舰船航行形成的尾流也含有大量气泡，严重影响声传播。 15节航速航行将产生500m 长的尾流，8kHz 衰减系数为0.8dB/m ，40kHz 衰减系数为1.8dB/m 。1节＝1海里/小时＝0.515米/秒（1海里＝1852米）。 3.3 海底 海底结构、地形和沉积层是影响声波传播的重要因素，它对声波的吸收、散射和反射等声学特性，关系到水声设备作用距离底远近。 实验研究表明，海底声波反射系数与海底地形有明 显的依赖关系。对于高于几千赫频率的声波，海底粗糙度是影响声波反射的主要作用。 右图给出不同频率，深海平原的反向散射强度与入 射角的关系。 单位界面上单位立体角中所散射出 去的功率与入射波强度之比。 ? 在小入射角θ时，散射强度随θ的减小而增加。 ? 在入射角 5>θ时，散射强度s m lg 10近似与θ2cos 成正比。 ? 在小入射角时，散射强度一般与频率无关； ? 在大入射角时，散射强度可能与频率的四次 方乘正比。 右图为非常粗糙海底上的反向散射强度与 入射角的关系： ? 反向散射强度基本上与入射角和频率无关。 1、海底沉积层 下面介绍海底沉积层的物理性质： 沉积物密度（质饱和容积密度）等于： ()s w n n ρρρ-+=1 式中，孔隙度n 是指沉积物体积中含有水分体积的百分数；w ρ为孔隙水密度，也可认为与海底的海水密度相等，取3/024.1cm g w =ρ；s ρ为无机物固体密度。 孔隙度n 大小有许多因素决定，如无机物的大小、形状和分布，矿物成分，沉积物构造和固体颗粒的紧密程度等。 深海平原和丘陵，粉砂粘土是主要沉积物类型，深海平原3/333.1cm g ≈ρ ，深海丘陵3/344.1cm g ≈ρ。 沉积层中有压缩波速度（声速）c 和切变波速度s c 两种： ρG E c 34+= ρG c s = 式中，E 和G 为沉积层的弹性模量和刚性（切变）模量。 孔隙度是可以测量和计算的量，因此可以预报声速值。ρ与n 呈线性关系，因此声速和ρ之间关系与声速和n 之间关系相同。 Hamilton 给出三种不同类型沉积物的声速、密度和孔隙度的实验值。 大量测量数据结果（Hamilton ），沉积层中声波的 衰减系数（dB/m ）： m Kf =α 式中，K 为常数；f 为频率，kHz ；m 为指数，1≈m 。 图为天然饱和沉积物和沉积层中声波衰减系数与 频率一次方成比例。 2、海底声反射损失 贝数，定义为： V p p BL i r lg 20lg 20-=-= 海底反射损失为正值，BL 分贝数越大，海底反射损失越大；V 为反射系数模值。 特点：海底呈液态、声速大于海水声速（12c c >，1 海底反射损失BL 值和反射系数模V 随掠射角?的变化，如图（a ）所示。曲线a 是海底没有声吸收情况；曲线b 和c 是海底有声吸收情况，曲线c 海底声吸收大于曲线b 的海底声吸收。 特点：声速小于海水声速（12c c <，1>n ）。 海底反射损失BL 值和反射系数模V 随掠射角?的变化，如图（b ）所示。曲线a 是海底没有声吸收情况；曲线b 和c 是海底有声吸收情况，曲线c 海底声吸收大于曲线b 的海底声吸收。 声波垂直入射，反射系数和海底反射 损失为： 1 1221122c c c c V ρρρρ+-= V BL lg 20-= 右图为根据深海实测到的海底反射损 失的平均值，小掠射角的数据是实验值的 外推。由此图可看出，海底沉积层的反射 （1）存在一个“分界掠射角”*?；当* ??时，反射 损失较大。*?是海底反射损失的一个特征参数。 （2）小掠射角* （3）大掠射角*>??范围内，反射损失与?无明显依赖关系，有时会出现反射损失值的“振荡”变化，一般可近似为常数。 根据海底反射的特征，我国学者尚尔昌提出三参数模型： ()?????<<=-<<=-**2 ln 0ln 200π??????const V Q V 三个参数为：Q 、*?和0ln V -。该模型表示海底反射损失的 基本特征。 根据反射系数表达式和Hamilton 总结的沉积物衰减系数 Kf =α求得。 （1）“分界掠射角”*?为全内反射角：()n arccos =*?，声速比2 1c c n =。 （2）0V 为掠射角等于2π时的反射系数模：n m n m V +-= 0，密度比12ρρ=m 。 （3）参数Q 等于()[]0ln =-??=??? V Q 。根据全内反射时反射系数： 222 2sin cos sin cos n i m n i m R i i i i ---+=θθθθ 令2122sin iM M n i +=-θ（将海底声速视为复数），则() 222122M M mM Q +-=。 3.4 海面 海面波浪：周期性——周期、波长、波速和波高等量来描述其特征； 随机起伏性——概率密度分布、方差、谱和相关函数等来描述其特征。 1、波浪的基本特征 重力波：以重力作为恢复力的波动。描述波浪的四要素：波长、波高、周期和波速，它们之间的关系：cT =Λ。波浪的波数：c k ωΛπ==2。 忽略粘滞性的影响，水深 h 的均匀海洋的波速： ()kh k g c tanh 2= 式中，g 为重力加速度。 表面张力波：表面张力为主要恢复力的波动。通常是小风速时，海水表面曲率半径只有几厘米。波速为： ()kh k T k g c f tanh 2 ???? ??+=ρ 式中，f T 为表面张力。波长越长，代表表面张 力波速的第二项就减小，见图中虚线a 。 10cm 基本上属于重力波。 表面张力波不同。 对于小波长的波，表面深水有()1tanh ≈kh ， 则波速简写成： ??? ? ??+=ρk T k g c f 2 对于多个频率传播的波，其传播速度由群速度决定。 波浪的形成与风速、风持续时间、风区等因素有关。风传给波浪的能量等于波浪破碎时损失的能量（达到平衡状态），风浪成为充分成长的风浪。 国际标准：海况分成9级，见书中列表。 平均波高H ：波峰到波谷垂直距离的平均值。 有效波高1H ：记录中1/3最大波高的平均值； 平均1/10最大波高101H ：记录中1/10最大波高的平均值； 三者之间关系：101120.025.021 H H H ==π 2、波浪的统计特征 波浪有随机性，将其视为随机过程，研究其统计特性： 海面偏离平衡位置的位移()t ζ服从高斯分布： ()??????????-=22221 ζζ ζπζe P 1960年，Kinsman 实际测量表明：海面的概率分布服从正偏态的Gram-Charlier 分布，与高斯分布稍有差别。 在水声学中，经常采用1964年Pierson 和Moskowity 根据大量观测资料提出充分成长的波谱，即P-M 谱： ()??????????? ??-=4052 exp ωωβωωag S 式中，3101.8-?=a ；74.0=β；5.190u g =ω，5.19u 为海面19.5m 处的风速，m/s 。 P-M 谱为一维谱，而实际上波浪是时空谱。 3、海面表面层内的气泡层 有风浪的海面下经常形成一层空气泡，它的厚度和浓度取决于波浪要素、表层水的湍动混合强度、空化强度以及溶解在水中的空气饱和程度。 关于气泡的声学性质在后续章节中介绍。 4、海面对声传播的影响简介 海面反射性质：镜反射和漫散射，随着海面粗糙度增加，漫散射场占主要分量。 在水声学中，海面的反向散射是海面混响的形成原因。海面波动，其散射场中含有多普勒频移分量。详细内容会在后续章节中介绍 3.5 海洋内部的不均匀性 海洋的不均匀性：海底海面的不均匀行、海水温度和盐度垂直分层特性，内部湍流、内部、海流和深水散射层等等。 1 、湍流 它形成海水中温度和盐度的席位结构变化，引起声速的微结构变化。 2、内波 高从10米到100米。 它对低频、远距离的声传播信号有中大影响。 3、海流 长带状。其边缘将海洋分成物理性质差异很大的水团的锋区，对声波传播影响较大。 4、深水散射层 变化。由于气囊的共振散射，它会产生很大的混响背景。 课程名称：《化学海洋学》 （考试方式：闭卷，考试时间：，考试要求：） 一，填空( 每空1分，共计20分) 1)海洋有机质按生物化学类别分类可分为_类脂物、碳水化合物、氨基酸 和多肽、腐殖质，烃和氯代烃、维生素类和色素。 2)开阔大洋表层水盐度通常在___亚热带海域____（赤道海域、亚热带海 域、亚极地海域）出现极大值。 3)在现场大气压为101.325 kPa时，一定温度和盐度的海水中，某一气体 的饱和含量称为该温度、盐度下该气体的___溶解度_____。 4)在海-气界面气体交换的薄膜模型中，一般而言，风速约大，薄膜层厚 度越_____薄___，海-气界面气体交换通量越_____大___ 。 5)在海-气界面气体交换的薄膜模型中，气体分子的海-气净扩散通量与该 气体分子的分子扩散系数有关，一般而言，水体温度的增加，分子扩散 系数越__大______；气体分子量越大，分子扩散系数越___小____ 。 6)在全球海水碳储库中，___ DIC _____的储量最多，其下依次是__ DOC _____和_ POC _。（从DIC、DOC、POC、PIC中选择）。 7)假设某海水的pH值完全由其无机碳体系所控制，则温度升高时，pH 值降低；盐度增加时，pH值增加；压力增加时，pH值降 低；Ca(Mg)CO3沉淀形成时，pH值降低。 二，名词解释（每小题5分，共计20分） 1）新生产力 由光合作用区域以外所提供营养盐支持的净初级生产力份额，称为新生产力2）富营养化 海水中营养物质过度增加，并导致生态系统有机质增多、低氧区形成、藻华暴发等一些异常 改变的过程。 3）成岩作用 沉积物在沉积和埋藏时所发生的所有过程的通用术语。它包括沉积物与上覆水接触时所发生 的变化以及沉积物和上覆水脱离接触时所发生的变化。成岩过程改变了沉积物的构造、结构 和矿物学性质，并导致最后形成坚硬的岩石。 4）表观溶解氧 假设海表面水体与大气处于平衡，水体的含氧量达到饱和，水体下沉后，由于有机物等的 分解，氧的含量发生了变化，两者之差称为AOU。 AOU=DO溶解度-DO实测 三，简答（30分） 1）全球而言，高纬度表层海水中的18O贫乏，而低纬度海水中18O富集，主要原因是什么？（6分） 答：1）低纬度的海域蒸发量大于降水量；而高纬度相反。 2）18O与16O比较易凝结不易蒸发 3）借助大气环流，水汽在由低纬度的向高纬度输送的过程中，由于不断凝结，降水中的18O 逐渐变少。 2）为什么溶解态Zn在北太平洋深层水中的浓度高于北大西洋深层水，而溶解态Al则相反。（6分） 答案：溶解态Zn为营养盐型痕量金属元素，它在上层水中被浮游生物所吸收，当生物死亡后，部分生源物质在上层水体再循环，另有部分通过颗粒沉降输送至中深层。当进入中深层水体的颗粒物发生再矿化作用时，它会重新回到水体中，由于深海热盐环流的流动路径为从北大西洋流向北太平洋，北太平洋深层水的年龄要老于北大西洋，故随着年龄的增长，积累的溶解态Zn越多，故北太平洋深层水中溶解态Zn浓度高于北大西洋。Al为清除型元素，它在大西洋表层具有较高的输入通量，且在深海水流动过程中不断地通过颗粒物吸附从水体中清除、迁出，导致其在北太平洋深层水中的浓度低于北大西洋。 3）试分析海水中CaCO3的溶解、颗粒有机物的再矿化这两个过程对海水中的 海洋声学基础——水声学原理 绪论 各种能量形式中，声传播性能最好。在海水中，电磁波衰减极大，传播距离有限，无法满足海洋活动中的水下目标探测、通讯、导航等需要。 声传播性能最好，水声声道可以传播上千公里，使其在人类海洋活动中广泛应用，随海洋需求增大，应用会更广。 §0-1节水声学简史 01490年，意大利达芬奇利用插入水中长管而听到航船声记载。 11827年，瑞士物理学家D.colladon法国数学家c.starm于日内瓦湖测声速为1435米每秒。 21840年焦耳发现磁致伸缩效应 1880年居里发现压电效应 31912年泰坦尼克号事件后，L.F.Richardson提出回声探测方案。 4第一次世界大战，郎之万等利用真空管放大，首次实现了回波探测，表示换能器和弱信号放大电子技术是水声学发展成为可能。（200米外装甲板，1500米远潜艇） 5第二次世界大战主被动声呐，水声制导鱼雷，音响水雷，扫描声呐等出现，对目标强度、辐射噪声级、混响级有初步认识。（二战中被击沉潜艇，60%靠的是声呐设备） 6二、三十年代——午后效应，强迫人们对声音在海洋中的传播规律进行了大量研究，并建立起相关理论。对海中声传播机理的认识是二次大战间取得的最大成就。 7二战后随着信息科学发展，声呐设备向低频、大功率、大基阵及综合信号处理方向发展，同时逐步形成了声在海洋中传播规律研究的理论体系。 81、1945年，Ewing发现声道现象，使远程传播成为可能，建立了一些介质 影响声传播的介质模型。 2、1946年，Bergman提出声场求解的射线理论。 3、1948年，Perkeris应用简正波理论解声波导传播问题。 第三章 海洋的声学特性 本章从声学角度讨论海洋、海洋的不均匀性和多变性，弄清声信号传播的环境，有助于海中目标探测、声信号识别、通讯和环境监测等问题的解决。 3.1 海水中的声速 声速：海洋中重要的声学参数，也是海洋中声传播的最基本物理参数。 海洋中声波为弹性纵波，声速为： s c ρβ1 = 式中，密度ρ和绝热压缩系数s β都是温度T 、盐度S 和静压力P 的函数，因此，声速也是T 、S 、P 的函数。 1、声速经验公式 海洋中的声速c （m/s ）随温度T （℃）、盐度S （‰）、压力P （kg/cm 2）的增加而增加。 经验公式是许多海上测量实验的总结得到的，常用的经验公式为： 较为准确的经验公式： STP P S T c c c c c ????++++=22.1449 式中，4734221007.510822.2104585.56233.4T T T T c T ---?-?+?-=? ()()2235108.735391.1-?--=-S S c S ? 4123925110503.310451.3100279.11060518.1P P P P c P ----?-?+?+?=? ()[ ][][]T P T T P T T T P PT P P T S c STP 31021012382546214310745.110286.910391.210644.6103302.110796.21009.21096.11061.210197.135----------?-?+?-+?-?+?-+?-?-?+?--=? 上式适用范围：-3℃ 厦门大学2005年级化学海洋学期末考试试题A 一、填空题或选择题（15分，判断题每题1分，其它空格0.5分） 1、海水中含量最高的元素是和。 2、开阔大洋表层水盐度通常在（赤道海域、亚热 带海域、亚极地海域）出现极大值。 3、在现场大气压为101.325 kPa时，一定温度和盐度的海水 中，某一气体的饱和含量称为该温度、盐度下该气体 的。 4、在海-气界面气体交换的薄膜模型中，一般而言，风速约大， 薄膜层厚度约，海-气界面气体交换通量越。 5、在海-气界面气体交换的薄膜模型中，气体分子的海-气净 扩散通量与该气体分子的分子扩散系数有关，一般而言， 水体温度的增加，分子扩散系数越；气体分子量越大， 分子扩散系数越。 6、在全球海水碳储库中，的储量最多，其下依次 是、和。（从DIC、DOC、POC、PIC中 选择）。 7、假设某海水的pH值完全由其无机碳体系所控制，则温度 升高时，pH值；盐度增加时，pH值；压力增加时， pH值；Ca(Mg)CO3沉淀形成时，pH值。 8、海洋硝化作用是指；海洋反硝 化作用是指。 9、与陆源腐殖质相比，海源腐殖质的芳香组分浓度一般较， 氮、硫含量比较， 13C比较。 10、分子式通常被用于表征海洋中有机物的平均分子 组成。 11、在不考虑N2的情况下，开阔大洋表层水的氮主要以形 式存在，开阔大洋深层水的氮主要以形式存在。（从 DIN、DON、PIN、PON中选择）。 12、海洋中的蛋白质是由一系列通过结合而成，活体 生物体内的蛋白质含量高低通常可用元素浓度来指示。 13、判断题：利用CTD实测得某海水的盐度为32.02315‰。 （） 14、判断题：开阔大洋表层水中不含有难降解的DOM。（） 二、问答题（20分） 1、与硝酸盐和活性磷酸盐不同，开阔大洋硅酸盐的垂直分布 并未在1000m左右水深处表现出极大值的特征，为什么？ （6分） 2、为什么溶解态Zn在北太平洋深层水中的浓度高于北大西 洋深层水，而溶解态Al则相反。（6分） 第一章：海水的化学组成 1. 海水中化学成分分成哪几类？如何理解这种分类方式？ (1) 海水的元素构成：常量元素：含量大于1mg/kg的元素，共15种。分别是O、H、Cl、Na、mg、S、Ca、K、Br、C、N、Sr、B、Si、F。微量元素：含量小于1mg/kg的元素。 (2) 海水中的化学物质组成： 主要成分：在海水中浓度大于1mg/kg的成分。包括Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Sr2+、Cl－、SO42－、Br－、HCO3－(CO32)、F－、H3BO3共11种成分。 营养元素：非保守成分(生原要素或营养盐)N、P、和Si；微量营养元素As、Co、Cu、Fe、Mn、Mo等。 微量元素：在海水中的含量小于1mg/kg的元素。 溶解气体：海水中溶有大量的气体，它们主要来源于大气。如氧、二氧化碳、氮及惰性气体等。 海水中的有机物质：海水中的有机物质，包括有生命的生物体、生物残体、生物的代谢物、排泄物和溶解有机物。 悬浮颗粒：可以在海水中悬浮数天的固体颗粒。 2. 海水中的常量元素、主要成分都是哪几种？（参看第1题） 3. 什么是海水组成的恒定性？是谁首先提出的？ 1819年，Marcet提出“全世界所有的海水水样都含有同样种类的成分，这些成分之间具有非常接近恒定的比例关系，而这些水样之间只有含盐量总值不同的区别”。1884年Dittmar仔细地分析和研究了“挑战者”号调查船在环球海洋调查航行期间从世界各大洋中不同深度所采集的77个海水水样，结果证实海水中主要溶解成分的恒比关系，即“尽管各大海各海区海 水的含盐量可能不同，但海水主要溶解成分的含量间有恒定的比值。 4. 什么是海水中的溶解气体？ 海水中的溶解气体主要指溶存形式的气体分子，而不是指“气泡”，前者分布在海水的各个深度，后者集中出现在表层。 海水中的溶解气体种类 （1）活性气体和非活性气体。参与海水中生物和化学反应的气体称为活性气体，又称非保守气体；例如CO2、O2；不参与生物和化学反应，仅受物理过程影响的气体称为非活性气体，又称保守气体；例如惰性气体和氮气。 （2）微量气体。以空气中的含量为区分标准，除N2、O2、Ar、CO2外的气体，例如：甲烷和一氧化碳。 （3）放射性气体。例如；3H、222Rn、3He。 5. 海水是怎样形成的？海水物质的来源？ (1) 最初的海水是伴随地球本身的形成，较轻物质从接近地核的中心向地表迁移形成大气和海水雏形；(2) 在地球地质结构成熟(15亿年)以前，原生火成岩中易溶物质和频繁的火山喷发带来的酸性挥发物质溶于地表水中，汇成海水；(3) 在地球地质状况进入稳定期后，陆地岩石风化后淋滤水携带溶解物质通过径流入海是海水物质的主要来源。 海洋中大部分的阳离子和一小部分阴离子看来似乎是来源于火成硅酸盐的风化和火山的排出物，并由河流带入海洋。也有一部分来自海底的水热作用产物。多数主要阴离子是来源于挥发性物质。 6. 理解表1.2与Goldschmidt模型的关系。 气泡的声学特性分析 2.2.1 气泡的散射特性 上世纪50年代后期，海洋学者开始意识到了气泡研究对于海洋探测的重要性，自从Urick 和Hoover 在1956年发现了气泡对于声波的散射后，气泡的散射问题就一直是水声研究领域的经典问题错误!未找到引用源。。目标对声信号的散射能力根据不同性质、大小、形状的目标而不同，同时也与声波的入射方向有关 [9]。因此,对于水声探测来说，目标散射场特性的研究尤为重要。沿x 轴方向传播的平面声波入射到半径为R 的软球边界上，观察点(,)S r θ处的声场。如图2.1所示，x 轴方向为零度方向。 ) ,(t x p i θ (,) S r θx R O 图2.1 平面声波在软球球面上的散射 入射平面声波表达式为： )cos (0)(0),(θωωkr t j kx t j i e p e p t x p --== (2-1) 其中，λ为波长，c 为介质声速，ω为角频率，λπω2==c k 为波数，),(θr 为点S 的球坐标。 根据波动方程和软球应满足的边界条件，球面上的声压为零,即 0 (r )i s R p p +== (2-2) 声场关于x 轴对称，所以取满足以x 轴对称的球坐标系的波动方程的解为 (2)0(cos )()j t s m m m m p R P h kr e ωθ∞==∑ (2-3) 其中，m R 为常数， )()2(x h m 为第二类m 阶汉克尔（Hankel ）函数，为m 阶勒让德(Legendre)多项式，代表声波的传播方向为由球心向外。入射平面声波可以分解为球函数的和： ∑∞=+-=00)()(cos )12()(),,(m m m m t j i kr j P m j e p t r p θθω (2-4) 其中，)(kr j m 为m 阶球贝塞尔（Bessel ）函数。将(2-2)，(2-3)和(2-4)式合并，解出m a ，则s p 为： 一填空题(每空1分，共20分) 1.在海水中，浓度大于0.05 mmol/kg的元素为常量元素，海水中的11中 常量元素是： 阳离子：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Sr2+ 阴离子：Cl-、SO42-、Br-、HCO3-(CO32-)、F- 分子：HBO3 2.海水中，与海洋生物生长密切相关的元素称为营养盐： 主要营养盐：N、P、Si 微量营养盐：Mn、Fe、Cu、Zn 3.实用碱度（PA）是碳酸碱度，硼酸碱度，水碱度之和． 4. 盐度的原始定义: 一千克海水中，所有碳酸盐转化为氧化物，溴、碘以氯置换，所有的有机物被氧化之后所含全部固体物质的总克数。单位为克/ 千克，符号为S‰ 5. 浮游植物光合作用中被吸收，与碳、氧等为构成生物体基本元素。有较为恒定的吸收比（C:N:P:O=106:16:1:－276）。 6. 总氮（TN）,颗粒氮（PN）,溶解氮（DTN）,溶解无机氮（DIN）,溶解有机氮（DON） 7. 总磷（TP）,颗粒磷（PP）,溶解磷（DTP）,溶解无机磷（DIP）,溶解有机磷（DOP）8.海水中无机配位体重要有： 9.海水中有机配位体大部分含有羧基，氨基，羟基官能团． 10.影响海洋初级生产力的主要因素是光照（温度），营养盐，微量元素等二简答题(每题8分，共40分) 1.盐度 答：在1 kg海水中，将所有的碳酸盐转变为氧化物，所有的溴和碘为等摩尔的氯所取代，且所有有机物被氧化以后，所含全部固体物质的总克数。单位：g/kg，以符号S‰表示。 2. 氯度 答：在1 kg海水中，当溴和碘为等摩尔的氯所取代， 所含氯的克数。单位：g/kg，以符号Cl‰表示。 3. CaCO3和MgCO3沉淀的形成与溶解对海水pH值的影响? 答： 海洋科学导论重点知识 第一章 1.海洋科学：研究地球上海洋的自然现象、性质以及其变化规律，以及和开发与利用海洋有关的知识体系。 研究对象：海洋---海水、海水的组成、海洋生物以及海洋的边界（海洋沉积、海底岩石圈，河口、海岸带，海面上的大气等）。 研究内容：海水的运动规律、海洋中的物理、化学、生物和地质过程及其相互作用的基础理论、海洋资源的开发、利用、海洋军事活动应用研究等。 2. 海洋科学研究的特点是什么 1)明显地依赖于直接的观测。 2)。 3) 4)信息论、控制论、系统论等方法在海洋科学研究中越来越显示其作用。 5)学科分支细化与相互交叉、渗透并重，而综合与整体化研究的趋势日趋明显。 相似问题：海洋科学研究对象的特点 ①海洋科学研究对象具有特殊性和复杂性； ②海洋中水---汽---冰的转化时刻都在进行； ③海洋作为一个自然体系，具有多层次耦合的特点。 ￥ 3. 海洋矿产资源的分布特点是什么有哪些主要类型 ·分布特点： 深海锰结核以锰和铁的氧化物及氢氧化物为主要组分，富含锰、铜、镍、钴等多种元素。主要分布于太平洋，其次是大西洋和印度洋水深超过3000米的深海底部。以太平洋中部北纬6°30′～20°、西经110°～180°海区最为富集。 世界96%的锆石和90%的金红石产自海滨砂矿。复合型砂矿多分布于澳大利亚、印度、斯里兰卡、巴西及美国沿岸。金刚石砂矿主要产于非洲南部纳米比亚、南非和安哥拉沿岸；砂锡矿主要分布于缅甸经泰国、马来西亚至印度尼西亚的沿岸海域。 中国近海水深小于200米的大陆架面积有100多万公里，某中含油气远景的沉积盆地有7个：渤海、南黄海、东海、台湾、珠江口、莺歌海及北部湾盆地，总面积约70万公里，并相继在渤海、北部湾、莺歌海和珠江口等获得工业油流。在辽东半岛、山东半岛、广东和 海水的化学组成 盐度：在1kg海水中，将所有的碳酸盐转变为氧化物，所有的溴和碘为等摩尔的氯所取代，且所有有机物被氧化以后，所含全部固体物质的总克数。单位g/kg，符号S‰ 氯度: 在1kg海水中，当所有的溴和碘为等摩尔的氯所取代，所含氯的克数。单位g/kg，符号Cl‰ 海洋盐度的分布： 沿岸海域，受河流径流和地下水输入的影响，盐度变化大 开阔大洋，表层水盐度主要受控于蒸发导致的水分损失与降雨导致的水分增加之间的相对平衡 亚热带海域较高盐度赤道和极地附近海域较低盐度 北大西洋盐度高于北太平洋原因在于北大西洋海水蒸发速率约为北太平洋的两倍，而两个大洋的降雨量接近，尽管输入北大西洋的河水量高于北太平洋，但海水蒸发的效应要强于淡水输送的影响。 海水中元素存在形态：1 颗粒物质2胶体物质3气体4真正溶解物质 元素组成：常量元素：在海水中的浓度高于0.05mmol/kg，其中包括Na+K+Ca2+Mg2+ Sr2+5种阳离子Cl- SO42- Br-HCO3-(CO32- ) F- 5种阴离子和H3BO3分子 恒比定律：海水的大部分常量元素，其含量的比值基本上是不变的。 原因：水体在海洋中的迁移速率快于海洋中输入或迁出这些元素的化学过程的速率。因为加入或迁出水并不会改变海洋中盐的总量，仅仅是离子浓度和盐度 的变化而已，对于其中的常量元素，它们之间的比值基本保持恒定 元素的停留时间定义计算 痕量元素 海水中浓度小于50μmol/kg和浓度小于0.05μmol/kg的元素分别称为微量和痕量元素 定义意义分析采样手段 来源、迁出 来源：大陆径流、大气沉降、海底热液作用、海底沉积物间隙水向上覆水体扩散、人类活动迁出：氧化环境下颗粒物表面的吸附与沉淀 结合进入生源颗粒物 还原性环境硫酸盐还原为S2-，S2-和溶解态金属浓度高，可以产生硫化物沉淀（FeS2）热液活动 垂直分布：7类分布特点级形成原因及代表元素 1、保守行为型其垂直分布与温度、盐度变化相一致。仅受控于物理过程，不会富集于生源物质。Rb+ Cs+ MoO42- WO42- 第一部分：海洋科学基本知识 （一）海洋科学 1.A [掌握]：海洋科学研究的对象 B [了解]：海洋科学的分支及海洋科学研究的特点 A.海洋科学的研究对象：海洋科学研究的对象是世界海洋及与之密切相关联的大气圈、岩石圈、生物圈 B.海洋科学的分支及海洋科学研究的特点：海洋科学体系既有基础性科学,也有应用与技术研究,还包括管理与开发的研究。属于基础性科学的分支学科体系,提法不尽相同,如有的认为应包括物理海洋、化学海洋学、生物海洋学、海洋地质学、环境海洋学、海气相互作用以及区海洋学等。应用与技术研究的分支有卫星海洋学、渔场海洋学、军事海洋学、海洋学、海洋声学、光学与遥感探测技术、海洋生物技术、海洋环境预报以工程环境海洋学等。管理、开发研究方面的分支有海洋资源、海洋环境功能区、海洋法学、海洋监测与环境评价、海洋污染治理、海域管理等。 海洋科学研究对象的特点：首先是特殊性与复杂性。其次,作为一个物理系统，海洋中水-汽-冰三态的转化无时无刻不在进行，第三,海洋作为一个自然系统,具有多层次耦合的特点. 海洋科学研究的特点：首先,它明显地依赖于直接的观测。这些观测应该是在自然条件下进行长期的,且最好是周密计划的、连续的、系统而多层次的、有区域代表性的海洋考察 其次是信息论、控制论、系统论等方法，在海洋科学研究中越来越显示其作用 第三，学科分支细化与相互交叉、渗透并重，而综合与整体化研究的趋势日趋明显 （二）地球运动和结构 2.[熟悉]：科氏力（地球自转偏向力）的作用；科氏力与地球自转产生的惯性离心力差别 3.[掌握]：地球圈层结构及内部和外部圈层的构成 4.[熟悉]：地球表面海陆分布的特点 科氏力的作用（地球自转偏向力）的作用：科氏力，又称科里奥利力，地转偏向力。是对于运动流体受力而言。由于地球自转，使球体上固体和流体运动差异的力。 无论地球上流体运动方向如何，地转偏向力在北半球始终向运动方向偏右90度，南半球始终向运动方向偏左90度。 地球圈层结构及内部和外部圈层的构成 地球是一个具有同心圈层结构的非均质体，以地球固体表面为界分为内圈和外圈，内圈和外圈又可再分为几个圈层，每个圈层都有自己的物质运动特征和物理化学性质。 外部圈层：地球固体表面以上，根据物质性状可以分为大气圈、水圈和生物圈。 内部圈层：地球内部物质呈同心层圈结构。在各圈层间都存在着地震波速度变化明显的界面（或称不连续面），其中最重要的界面有莫霍面（M面）和古登堡面（G面），它们把地球内 第一章：1.定义：海洋化学是研究海洋各部分的化学组成、物质分布、化学性质和化学过程，以及海洋化学资源在开发利用中的化学问题的科学。2.资源类型：海洋化学资源、海洋生物资源、海底矿产资源、海洋能源资源3.海水淡化与海水晒盐：海水蒸发（粗盐提纯—主要成分氯化钠）（母液—多种化工产品）4.工业上如何从氯化钠中提取出氯气？（电解饱和食盐水）5.深海锰结核：自生于深海底的矿物。以锰和铁的氧化物和氢氧化物为主要组分，含多种金属元素如铜、镍、钴等，结核状。锰矿球、锰矿瘤、锰团块或多金属结核，是潜在金属资源。来源：一是来自陆地，大陆或岛屿的岩石风化；二是来自火山；三是来自生物，浮游生物体内富集微量金属；四是来自宇宙。6.可燃冰：地球上的甲烷主要存在于陆地的地壳深处和海底的深海沉积物中。海底油气渗漏以及海底微生物厌氧反应会生成甲烷气体，在海底的高压和低温环境下，与水分子结合形成类似冰块的天然气水合物结晶，存在于海底沉积物的空隙之中（甲烷泄漏到空气中，会比二氧化碳造成的温室效应还厉害。甲烷被利用，可缓解能源紧张）7.半岛蓝色经济区：青岛烟台威海日照潍坊东营滨州8.青岛发展海洋科技的优势：海洋自然资源丰富、海洋科研优势突出、承担了国家“863”计划和“973”计划的科研项目。 第二章：1.海水远动形式：波浪【风浪海啸（由海底地震、火山爆发、或风暴引起，破坏力巨大）】潮汐洋流。2.潮汐：海水在月球和太阳引力作用下发生的周期性涨落现象。3.每逢初一、十五，太阳、月亮和地球在一条直线上，太阳和月亮对海水的引力合在一起，海水面凸出更高，形成大潮。每逢农历初八、二十二，太阳、月亮和地球互相垂直成直角，引力被抵消了一部分，海水面凸起较少，形成小潮。4.洋流：海洋中的海水，常年比较稳定的沿着一定的方向作大规模的流动，叫做洋流。（分类：从低纬向高纬流动的洋流为暖流，从高纬向低纬流动的洋流为寒流。作用：洋流是海水的主要运动形式，它促使不同海区间进行大量的水量交换、热量交换、盐分交换和溶解气体交换等。5.洋流形成原因： 《海洋科学基础》综合知识考试大纲 一、考试说明 1．参考教材 （1）冯士筰、李凤岐、李少菁主编海洋科学导论，高等教育出版社2001年7月3版（2）侍茂崇、高郭平、鲍献文编著海洋调查方法，青岛海洋大学出版社2000年7月2、考试内容比例 （1）题型比例 问答题：100% （2）内容比例 海洋科学的基础知识和基本常识50％，观测研究方法50％。 二、考试内容： （一）绪论 1.海洋的特性 2.海洋学研究内容 3.海洋学研究意义 4.海洋学研究方法 (二) 地球概观 1.地球概观 2. 构造学说 3. 海水来源 4. 海洋的划分 5. 海底地形 6. 各大洋及中国海形态 (三) 海水的物理性质 1. 海水的组成 2.海水的物理性质 3. 海水温度、盐度、密度概念 (四) 海洋中的热收支和水平衡 1. 海洋中的热收支 2. 海洋中的水平衡 (五) 大洋及中国海的温度、盐度、密度的分布及变化 1. 大洋温度的分布及变化 2. 大洋盐度的分布及变化 3. 中国海温盐分布及变化 4. 海水温度、盐度、密度的观测 (六) 大气环流 1.大气垂直结构与气象要素 2. 大气环流 3. 主要天气系统 4. 中国海的气候特征 (七) 海洋环流与水团 1. 海流成因 2. 地转流 3. 风海流 4. 惯性流 5. 大洋环流及水团结构 6. 中国海环流 7. 海流的观测 （八）海洋中的波动 1. 波浪要素、波浪类型 2. 小振幅重力波 3. 风浪和涌浪 4. 海洋内波 5.海浪的观测 （九）潮汐及风暴潮 1. 潮汐基本要素、分类 2. 潮汐理论 3. 中国海潮汐 4. 风暴潮定义、分类 5. 潮汐的观测、预报方法及应用 （十）海水的混合和海洋细结构 1. 海水混合的概念、形式 2. 混合效应及影响因素 3. 水团之间混合 （十一）海洋——大气相互作用 1. 海洋在气候系统中的地位 2. 海洋——大气相互作用 3. 厄尔尼诺和南方涛动 第三章海洋的声学特性 本章从声学角度讨论海洋、海洋的不均匀性和多变性，弄清声信号传播的环境，有助于海中 目标探测、声信号识别、通讯和环境监测等问题的解决。 3.1海水中的声速 声速：海洋中重要的声学参数，也是海洋中声传播的最基本物理参数。 海洋中声波为弹性纵波，声速为： 1 c ---------- s 式中，密度 和绝热压缩系数 s 都是温度T 、盐度S 和静压力P 的函数，因此，声速也是 T 、S 、 P 的函数。 1、声速经验公式 海洋中的声速c (m/s )随温度T (C)、盐度S (%。)、压力P (kg/cm 2)的增加而增加。 经验公式是许多海上测量实验的总结得到的，常用的经验公式为： 较为准确的经验公式： c ST p S 35 1.197 10 3T 2.61 10 4P 1.96 10 1P 2 2.09 10 6 PT P 2.796 10 4T 1.3302 10 5T 2 6.644 10 8T 3 P 2 2.391 10 1T 9.286 10 10T 2 1.745 10 10 P 3T 上式适用范围：-3C 2014.11.16 化学海洋学思考题 第一章思考题 1. 如何认识化学海洋学的学科体系及特点？ 2. 化学海洋学发展历史是怎样的？A.M. Marcet, W. Dittmar, M. Knudsen, L.G. Sillén, E.D. Goldberg, W.S. Broecker 等有哪些重要贡献？ 3. 学习和研究化学海洋学的意义是什么，请发表个人观点。 第二章思考题 1. 简要了解海洋的形成过程。海洋中水的来源是什么？ 原始海水与现代海水的化学组成有何主要差别？（什么是Sillén 模型）？ 2. 海洋中物质的来源和输入途径有哪些？ 海水主要溶解成分是否为河水溶解成分的简单浓缩，为什么？ 3. 现代大洋海水的平均盐度、平均离子强度是多少？ 4. 简述化学海洋学中“稳态”的概念。 5. 什么是元素逗留时间？如何反映了元素在海洋中的性质或行为？ 周期表中哪些元素的逗留时间最长、最短？元素分布特点与逗留时间有何关系？ 为什么N 、P 、Si 的逗留时间较长，但在海水中的分布却不均匀？ 6. 什么是保守元素/要素/成分和非保守元素/要素/成分？ 7. 什么是理论稀释线（TDL ）？如何利用TDL 讨论海水混合过程中的保守和非保守行为？ 8. 海洋中元素/要素分布与海水运动关系式是怎样的？各项名称与物理意义是什么？ 9. 什么是海洋中元素/要素分布的平流－扩散方程？ 在使用平流－扩散方程解决海洋中元素/要素空间分布问题时，为何可将0=??t S 处理？ 10. 如何认识海水混合过程中非保守元素的转移量与涡动扩散系数、流速和逗留时间等因素 的关系? 第三章思考题 1. 海水主要成分有哪些？浓度大于1 mg kg ?1的元素都是主要成分吗？ 2. 主要成分阳离子中，哪个成分的含量最高、最低？ 主要成分阴离子中，哪个成分的含量最高、最低？ 3. 什么是海水主要溶解成分组成的恒定比规律？其原因是什么？ 影响海水主要溶解成分恒定比关系的因素有哪些？ 4. 海水中Ca 2+/Cl 比值会受到哪些因素影响？为什么海水主要成分中Ca 2+的保守性较差? 5. 海水盐度和氯度定义如何建立与修改？ 6. 实用盐度标度（PSS1978）包括哪些内容？PSS78的实用盐度公式是如何建立的？ 7. 什么是绝对盐度，能否直接测定？ 8. 最近对盐度概念进行了怎样的补充完善？（什么是“参考组成盐度标度”？） 9. 什么是离子对？与络合物比较有何不同？ 10. Garrels －Thompson 海水化学模型的基本内容是什么？ 根据模型计算结果，试说明阳离子和阴离子的主要存在形式各有何特点？ 一、填空题或选择题（15分，判断题每题1分，其它空格0.5分） 1、海水中含量最高的元素是 H 和 O 。 2、开阔大洋表层水盐度通常在亚热带海域（赤道海域、亚热带海域、亚极地海域）出现极 大值。 3、在现场大气压为101.325 kPa时，一定温度和盐度的海水中，某一气体的饱和含量称为该温度、 盐度下该气体的溶解度。 4、在海-气界面气体交换的薄膜模型中，一般而言，风速约大，薄膜层厚度约薄，海-气界面气 体交换通量越大。 5、在海-气界面气体交换的薄膜模型中，气体分子的海-气净扩散通量与该气体分子的分子扩散系数 有关，一般而言，水体温度的增加，分子扩散系数越大；气体分子量越大，分子扩散系数越小。 6、在全球海水碳储库中， DIC 的储量最多，其下依次是 DOC 、和 POC 。（从DIC、 DOC、POC、PIC中选择）。 7、假设某海水的pH值完全由其无机碳体系所控制，则温度升高时，pH值降低；盐度增加时， pH值增加；压力增加时，pH值降低；Ca(Mg)CO3沉淀形成时，pH值降低。 8、海洋硝化作用是指在氧化性海水中，氨通过海洋细菌的作用被氧化成NO2-，并进一步被氧化为 NO3-；海洋反硝化作用是指在溶解氧不饱和的海水中，一些异氧细菌将NO3-作为电子接受体以代谢有机物，从而将部分NO3-还原为NO2-，并进一步还原为N2。 9、在不考虑N2的情况下，开阔大洋表层水的氮主要以 DON 形式存在，开阔大洋深层水的氮主要以 DIN 形式存在。（从DIN、DON、PIN、PON中选择）。 10、判断题：利用CTD实测得某海水的盐度为32.02315‰。（×） 11、判断题：开阔大洋表层水中不含有难降解的DOM。（×） 二、问答题（20分） 1、与硝酸盐和活性磷酸盐不同，开阔大洋硅酸盐的垂直分布并未在1000m左右水深处表现出极大值的特 征，为什么？（6分） 答案：由于蛋白石的溶解相对于有机物的降解是一个比较缓慢的过程，因此溶解态硅酸盐的垂直分布没有像硝酸盐和活性磷酸盐一样在1000m水深附近产生极大值。 12、试分析海水中CaCO3的溶解、颗粒有机物的再矿化这两个过程对海水中的TCO2和Alk将分别产 生什么样的影响。（8分） 答案：CaCO3溶解导致Alk增加，TCO2增加。 颗粒物再矿化时，Alk不变，TCO2增加。 三、分析题（50分） 1、下图为一些气体在海水中溶解度随温度的变化情况，从中您可得到什么信息。（8分） 答案：（1）气体在海水中的溶解度一般随分子量的增加而增加； 1：什么导致了地球的大地水准面？ 地球旋转离心力带来了地球的椭球面，不规则的海底地形导致了重力的局地变化，大地水准面与海表面不同，因为海洋不是静止的，海表面与大地水准面之间的偏差被定义为海表面地形 2：怎样测量海洋表面和底部地形？ 由于地球重力（形状）空间变化，地球的大地水准面有不规则性，大地水准面可以反映海底地形特征，我们一般用测深绳，回声测深仪以及雷达高度计来测量海底以及海表面的地形，同时也可以基于重力场的不规则性（重力与海底地形的关系）来计算海底地形 3：海洋地形为何如此的重要？ 海洋地形影响海流路径、影响全球热量的输送、影响潮汐的能量混合和消散、影响自然灾害的发生，比如海啸等，在实际中会影响石油与天然气的开采、地质研究 4：海平面变化的原因： 大洋洋盆形状的改变：板块构造学说（海洋地壳以及海底沉积物的变化，陆地地壳分布的变化）、泛大陆的形成（陆地海洋面积比例减小，海平面降低），大陆裂解，洋中脊扩张效应； 海洋中水体总量的变化：水循环导致的海平面变化，热力所致的海平面变化 海平面变化地质代表：有孔虫的氧同位素珊瑚可以用于古海平面的重建 从短时间尺度上来说，海平面变化的主要原因是海洋的增暖和热力膨胀，以及陆地冰的融化 格陵兰冰盖平均厚度达1500米，南极冰盖厚度达2000到2500米 5：海水的性质 水深，海水压强，海水温度（计算时通常用K做单位），海表面温度，盐度（每千克海水溶解物质的克数，平均一千克海水中35克盐，盐度的计算？）现在一般用电导率来计算盐度，电导率主要与温度有关，对盐度的依赖稍弱，主要消除温度对于电导率的影响我们就可以得到盐度 6：跃层：垂直方向上物理性质快速变化的深度区间 温跃层： 中国海洋 1、中国海域辽阔,海岛广布,大约有多少个面积大于500平方米的海岛？6500多个。 2、我国面积最大的三个海岛的名字就是什么？ 台湾岛、海南岛与崇明岛。 3、我国以海岛组成的省级行政建制有几个？ 我国以海岛组成的省级行政建制有2个,就是台湾省与海南省。 4、我国各海区海岛最多的、最少的分别就是哪个海区？ 我国各海区海岛数最多的就是东海海区,海岛数最少的就是渤海海区。 5、我国已探明海洋石油天然气储备量最大的海区就是哪个海区？南海海区。 6、我国近海各海区按面积如何排序？ 面积最大的就是南海,其次就是东海与黄海,面积最小的就是渤海。 7、我国近海各海区中平均水深最浅与最深的分别就是哪个海区？ 平均水深最浅的就是渤海海区,最深的就是南海海区。 8、我国海岛最多的省份就是哪个省份？浙江省。 9、我国哪个海区潮汐能最为丰富？浙闽沿海。 10、我国最大的产盐省份就是？山东 11、我国鱼种最多的海区就是哪个？南海海区 12、我国面积最大的珊瑚岛就是哪个岛？最大的群岛就是哪个岛？ 我国面积最大的珊瑚岛就是位于西沙群岛西部的永兴岛,面积为1、85平方千米。面积最大的群岛就是舟山群岛。 13、我国沿海有哪些重要的港口？ 到2004年底,沿海港口共有中级以上泊位2500多个,其中万吨级泊位650多个;全年完成集装箱吞吐量6150万标准箱,跃居世界第一位。一些大港口年总吞吐量超过亿吨,上海港、深圳港、青岛港、天津港、广州港、厦门港、宁波港、大连港八个港口已进入集装箱港口世界50强。 14、我国年吞吐量最大的就是哪个港口？上海港。 15、郑与几次出使西洋？ 郑与于1405-1433年的28年中七次出使西洋,经东南亚、印度洋到达红海与非洲,遍及亚洲、非洲30多个国家与地区。最远到达赤道以南的非洲东海岸与马达加斯加岛。 16、《南京条约》中,我国被迫开放的通商口岸有哪几个？ 《南京条约》,旧称《江宁条约》于1842年8月29日在南京签订,我国被迫开放广州、福州、厦门、宁波、上海五个通商口岸。 17、我国的内海就是哪个海？ 渤海就是我国的内海,面积为7、7万平方千米。 18、我国的黄河与长江最终分别流入哪个海区？ 黄河最终流入我国的渤海海区;长江最终流入我国的东海海区。 19、我国大陆海岸线、岛屿岸线总长度分别约为多少千米？ 我国大陆海岸线总长度约为18000千米;我国岛屿岸线总长度约千米。 20、我国目前已经建立了多少个国家级海洋自然保护区？30个。 21、我国目前已经命名了获得国际SC(A)R组织承认的南极地名大约有多少个？300个。 22、我国最北面的出海口在哪里？图门江。 23、《中华人民共与国专属经济区与大陆架法》对我国大陆架就是如何规定的？ 《中华人民共与国专属经济区与大陆架法》规定我国的大陆架为领海以外依陆地领土的全部自然延伸,扩展到大陆外边缘的海底区域的海床与底土。 24、我国法律关于内水的权益就是如何阐述的？ 《中华人民共与国领海及毗连区法》规定:我国的领海基线向内陆一侧的水域为我国的内水。内水属于国家领土的一部分,完全受国家的主权管辖;所有外国船舶非经许可不得在一国的内水航行;外国渔船不得进入内水从事捕鱼活动。 25、我国政府关于领海宽度就是如何主张的？ 第六单元第一节海洋化学资源 【学情分析】黄岛的学生尽管在海边生长，但他们对海洋的了解，更多的是看到了大海的壮观、海边景色的优美和餐桌上丰富的海鲜，学生很可能不会从资源的角度去认识海洋，他们知道大庆油田，但很少有人知道从海洋中也可以开发石油，也不知道我们做燃烧实验使用的镁条可以从海水中提取出来，对海水淡化更是知之甚少。所以本节课先要设法让学生认识到海洋是个资源宝库，可开发海水中的物质以造福人类。 【教学目标】 知识与技能： 1、知道海洋蕴藏着丰富的资源，包括化学资源、矿产资源、生物资源、动力资源等。 2、了解海水中提取镁的过程。 3、通过对海水淡化的实验方案探究，知道蒸馏法是海水淡化最常用的方法。 4、《 5、通过对海水制镁和海水淡化的探究，让学生进一步学会分离混合物的物理方法和化学方法。 6、了解海水及海底所蕴含的主要物质。 过程与方法： 1、通过海水淡化的实验方案的探究，学生来体验科学探究的过程，学会用蒸馏法分离物质。 2、通过观察图表，提高学生获取信息的能力，让学生学会从量的方面认识事物。 3、通过学习海水制镁的过程，形成科学的思想和方法，如学会权衡利弊选择原料，学会化学上少量物质的富集方法并会利用。 情感态度与价值观： 1、通过学习让学生认识到，海洋不仅是壮观和美丽的，它更是一个资源的大宝库。 2、] 3、让学生认识合理开发海洋资源与环境保护的辨证关系，树立正确的资源观和环境观。 4、通过海水制镁和海水淡化过程的探究，了解对海底矿产资源开发的力度不够，体会海洋开发的不易， 树立节能意识。 重点： 1、海洋资源的两个开发：镁的开发和淡水开发。 2、帮助学生树立海洋资源合理开发和海洋资源保护的意识。 难点： 1、对海水提取镁的过程的探究。 2、对海水淡化的方法的探究。 * 教学方法：自学、讨论、实验探究 教学手段：借助多媒体、图表、实验活动 板书设计： 6-1海洋化学资源 一、化学资源 海水制镁 海水淡化 第2章 海洋的声学特性 第一讲 海水的声速 2.1 海水中的声速 声速：海洋中重要的声学参数，也是海洋中声传播的最基本物理参数。海洋中声波为弹性纵波，声速为： s c ρβ1 =式中，密度ρ和绝热压缩系数s β都是温度T 、盐度S 和静压力P 的函数，因此，声速也是T 、S 、P 的函数。 1、声速经验公式 海洋中的声速c （m/s ）随温度T （℃）、盐度S （‰）、压力P （kg/cm 2）的增加而增加。经验公式是许多海上测量实验的总结得到的，常用的经验公式为： 较为准确的经验公式：STP P S T c c c c c ????++++=22.1449式中，4734221007.510822.2104585.56233.4T T T T c T ---?-?+?-=?()()2 235108.735391.1-?--=-S S c S ?4123925110503.310451.3100279.11060518.1P P P P c P ----?-?+?+?=?()[ ][][]T P T T P T T T P PT P P T S c STP 31021012382546214310745.110286.910391.210644.6103302.110796.21009.21096.11061.210197.135----------?-?+?-+?-?+?-+?-?-?+?--=?上式适用范围：-3℃ 中国海洋大学本科生课程大纲 课程属性：公共基础/通识教育/学科基础/专业知识/工作技能，课程性质：必修、选修 一、课程介绍 1．课程描述 化学海洋学是化学专业海洋化学方向的专业基础课程和核心课程之一，2004年被批准为国家精品课程，2013年升级转型为国家精品资源共享课。课程讲授化学海洋学的基础知识、基本概念和基本理论，包括海洋中各种化学成分的含量、性质、特点、存在形式、分布、迁移变化规律以及相关研究方法等内容，介绍当前海洋化学研究的热点和发展方向，以及与资源、环境与可持续发展相关的问题，为学习其它海洋化学专业课程和将来从事海洋科学研究打下基础。 2．设计思路 化学专业海洋化学方向本科生在学习化学类基础课程和海洋学的基础上，为了解和掌握海洋化学的基本原理，开设《化学海洋学》课程。化学海洋学是化学与海洋学交叉的学科，是研究海洋各部分的化学组成、物质分布、化学性质和化学过程的科学，体现了用化学的理论和方法研究海洋的特点，具有理论与实践密切结合的特征。课程立足海洋化学的学科层面，选取海洋化学基础研究的内容进行课程设计。课程首先对化学海洋学的学科属性及发展作一般性介绍；再以海洋的形成和化学组分的演化为切入点，介绍元素的循环与分布的一般规律；然后按照化学组分的类别分别讲授海水主 - 7 - 要成分、溶解气体、营养盐、微量元素、碳酸盐体系、有机物和海洋生产力以及同位素的含量、性质、特点、存在形式、分布、迁移变化规律等主要内容；最后以海洋生物地球化学循环以及化学海洋学的发展展望进行归结。 3．课程与其他课程的关系： 作为一门专业基础课程，化学专业海洋化学方向的学生以《无机化学I》、《分析化学I》、《有机化学I》等以及《海洋学II》为先修课程，掌握《无机化学实验I》、《分析化学实验I》等基本实验技能；学习并掌握与本课程相关的海洋化学类专业课程《海水分析化学》、《海水分析化学实验》以及《海洋化学调查与数据处理方法》作为方法学基础。本课程学习过程中吸收和运用同期开设的《物理化学I》、《物理化学实验I》等化学类基础课的部分理论与方法；与本课程的实践环节《化学海洋学实验》课程并行开设，通过实验研究加深对化学海洋学理论的理解与掌握；与《海洋学和海洋化学专业实习》以及《海洋化学综合实验》等密切联系，促进理论与实践的结合。后续课程主要是海洋化学类的系列专业课，有《海洋物理化学》、《海洋环境化学》、《海洋资源化学》、《河口化学》等。 二、课程目标 本课程目标是使化学专业海洋化学方向的本科生奠定海洋化学的知识基础，引导学生将化学基础课程的学习与海洋相结合，课堂学习与实验室教学、海洋现场实习相结合，认识和掌握海洋中的化学问题。通过该课程的学习，达到以下目标：（1）学生应掌握化学海洋学的基础知识、基本概念和基本理论，学会通过化学要素的分布特征探讨海洋中发生的过程、变化与影响因素； （2）了解海洋化学研究需综合考虑的因素以及与物理海洋学、生物海洋学和海洋地质学等其它海洋分支学科的联系； （3）了解当前海洋化学研究的热点和发展方向，了解与资源、环境与可持续发展 - 7 -化学海洋学答案
海洋声学基础讲义-吴立新
第三章海洋的声学特性教材
厦门大学2005年级化学海洋学期末考试试题A
天津科技大学化学海洋学复习资料(DOC)
气泡的声学特性分析
《化学海洋学》题库
海洋科学导论-海洋学基础-重点知识
国科大化学海洋学期末复习重点
海洋基础知识问题与答案
海洋化学基础(考试必备)
海洋科学基础综合知识考试大纲
(完整版)第三章海洋的声学特性
化学海洋学思考题20141
化学海洋学考试
海洋科学基础知识点整理
海洋基础知识
(整理)初中化学《海洋化学资源》教案
2.1.2海洋的声学特性 - 海水的声速
化学海洋学
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