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1、大洋与海大洋与海海洋是地球上有待深入研究的重大科学前沿领域之一,也是地理学者最感兴趣的主题之一。搭载于卫星、航空器、水面舰艇和潜艇上的遥感装置,为揭示海洋系统增添了新技术并提供了丰富的数据。图1是各大洋的地理位置及其周边海的分布图。图图1 世界上主要的大洋和海的分布图世界上主要的大洋和海的分布图注:总体上,海要比大洋小,而且距离大陆较近;“海”有时用来指大的内陆咸水水体。地图中数字所对应地理位置和名称,在图例中按英文字母顺序排列。1.海水的化学成分海水的化学成分水是一种“万能溶剂”,它至少能够溶解自然界中57种元素(自然界中已发现92种元素)。事实上,大多数天然元素及其形成的化合物都能在海水中
2、被发现,它们是被溶解的固体或溶质。因此,海水是一种溶液。盐度(salinity)是指海水中被溶解的固体物质的含量。海水是一种均质混合物,尽管其盐度略有波动,但各种盐分之间的比例是恒定的。1874年,英国HMS挑战者号进行环球航行时,对海面和深海分别采取了水样。通过对这些样品的分析,首次得出了海水是组成成分均一的混合体这一结论。人们认为显生宙(过去的5.42亿年之前)时期的海水化学性质相当稳定,但最近证据表明,海水化学性质在小范围内随时间的推移仍有小幅变化。这种变化与海底扩张速率、火山喷发以及海平面的变化相一致。这些证据来自海相地层中的流体包裹体,如包含古海水的石灰岩和蒸发沉积岩。海洋的化学特征
3、 海水、大气、矿物质、海底沉积物以及海洋微生物之间的复杂交换作用,塑造了海洋的化学性质。此外,海底还有大量富含矿物质的水流,从热液(热水)岀口排入海洋。这些出口通道被称为“黑烟囱”,那些浓黑色的富含矿物质的水流就是从这些黑烟囱中喷出来的o海水的均质性是后期化学反应和海水持续混合的结果,因为洋盆是相互连通的,加之海水的环流作用。以下7种元素占海水溶解固体的99%以上,它们(包括其离子形式)分别是氯(Cl-)、钠(Na+)镁(Mg2+)、硫(硫酸根离子,SO42-;)、钙(Ca2+)、钾(K+)和漠(Br-);此外,海水中还有溶解气体(如:CO2、N2和O2)、悬浮物、溶解的有机物以及各种微量元素
4、。作为商业用途,海水具有实际效益的只有萃取海水中的氯化钠(普通食盐)、硫酸镁和漠。至于未来的海底釆矿,虽然这在技术上行得通,但在经济上却不划算。平均盐度:35 海水盐度(单位体积海水中溶解的固体物)通常采用世界平均值,有以下几种表示方式:3.5%(%百分比);35000ppm(百万分比);35000mg/L;35g/kg;1 35(千分比),最常用的方式。对于全世界各地的海水来说,盐度正常变化范围为3437。盐度变化取决于海面大气状况和流入海洋的淡水体积。在赤道海域,由于全年降水量大,海水盐度被稀释,所以略低于世界平均盐度(34.5)。在亚热带的海域,由于干热的副热带高压影响,海水蒸发率最大,
5、所以盐度偏高,可达36。这些海区的盐度偏高,是因为海水蒸发率随温度增高而增大。盐水(brine)是指平均盐度超过35的海水。半咸水(brackish)是指盐度小于35的海水。一般情况下,靠近陆地的海洋因受淡水径流和河水流入的影响,海水盐度较低。波罗的海(波兰和德国以北)和波的尼亚湾(瑞典和芬兰之间)作为极端例子,二者海水盐度平均为10%,或更低,这是大量淡水径流的流入以及低蒸发率造成的。相比之下,位于北大西洋亚热带环流带内的马尾藻海,其平均盐度却高达38。更有甚者,波斯湾海水的平均盐度为40,原因是几乎封闭的海盆内蒸发率很高。在地中海和红海海底,深水袋(deep pockets)(或称“盐水湖
6、”)中的盐度竟高达225。海洋能反映地球环境的状况。高纬度海洋在过去的十年里发生着淡化现象。海洋酸化则是另一种正在发生的变化,这是因为大气中快速增加的CO2被海洋所吸收,并通过水解过程形成了碳酸,从而导致海水pH值降低酸化作用。在酸性强的海水中,某些海洋生物(如珊瑚和一些浮游生物)难以维持其碳酸钙结构的外壳而死亡。当前海洋的平均pH值为8.2,21世纪内海水的pH值可能会减小0.40.5个单位。由于pH采用的是对数值,pH值每下降0.1个单位,就相当于酸度增加了30在这种变化下,如何保护海洋生物多样性和食物网,目前尚未可知。海洋中储存的溶质盐类可通过水循环来实现持续再利用。太阳能是水循环的驱动
7、力。你今天喝的水中,或许某些水分子就来自于不久前的太平洋、长江,或瑞典的地下水、秘鲁上空的云等。2.海洋的物理结构海洋的物理结构海洋的基本物理结构,见图2中的分层结构,图中列出了海洋的四个重要特征:平均温度、盐度、溶解CO2及溶解氧,它们随海水深度而变化。海洋表层接受太阳辐射使水温升高,同时海面还受风力驱动作用。海水混合层(mixing zone)仅占海洋质量的2%,其水温和溶质的空间差异可通过迅速混合而达到均匀一致。混合层之下的跃温层过渡带(thermocline transition zone)深度超过1km,温度梯度为负值(减小);在这个深度上,由于衰减作用,表层洋流的效应已不存在,海水不像表层海水那样具有运动特征。此外,该水层底部的冷水对海水的对流也有抑制作用。从水深11.5km直至海底,温度和盐度相当均匀一致。海洋深层冷水的水温接近0,但深层冷水的海水不会冻结,这是因为海水盐度高以及水压大;而海面大约会在-2时发生冻结。最冷的海水通常分布于海底。接下来,把视线转向大海边缘,来了解地球上的海岸线。图图2 海洋的物理结构海洋的物理结构注:大西洋平均物理结构图:从格陵兰岛至南大西洋,沿线釆样观测到的大洋垂直剖面。海水的水温、盐度和溶解气体在深度上的变化。2
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