航道測量學2 海洋環(huán)境基礎

可見的海洋現象

由地球自轉引起的海洋活動——海流

OCEANCURRENT由風力引起的海洋活動——海浪

WAVE由地質活動引起的海洋活動——海嘯

TSUNAMI由地球和太陽系天體的作用引起的海洋活動——潮汐

TIDE第二章2.1地球形狀與海洋地形1、地球自然表面：形狀非常復雜，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瑪峰高達8844.43m（2005年），而太平洋西部的馬里亞納海溝則深達11034m。2、大地水準面：靜止的海水面向大陸延伸所形成的一個封閉的曲面。3、鉛垂線：重力方向線。鉛垂線與大地水準面處處正交。大地水準面地球表面低密度礦體高密度礦體地球表面大地水準面NSOaab地球橢球由于地球內部物質分布的不均勻性，使得地面上各點鉛垂線方向產生不規(guī)則的變化，這將造成大地水準面實際上是略有起伏而極不規(guī)則的光滑曲面。使測量數據的處理和成圖是極其困難的，甚至是無法實現的。地球橢球體：以接近大地體的旋轉橢球體來代替大地體的旋轉橢球。用a表示橢球體的長半軸，b表示短半軸，以f表示地球橢球的扁率。總地球橢球體：與大地體最接近的地球橢球。(宏觀)參考橢球：局部與大地體密合最好的地球橢球。(微觀)2.1.1地球形狀橢圓的長半軸a橢圓的短半軸b橢圓的扁率alpha=(a-b)/a橢圓的第一偏心率e=(a^2-b^2)^0。5/a橢圓的第二偏心率

e'=(a^2-b^2)^0。5/b我國所采用的參考橢球有：新中國成立前的海福特橢球；新中國成立初期的克拉索夫斯基橢球。1978年我國根據自己實測的天文大地資料推算出適合本地區(qū)的地球橢球參數，從而建立了1980西安大地坐標系，并將大地原點設于陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。2.1.1地球形狀海岸地形海面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、風、流、海洋水文、氣象、重力、地球自轉等因素的影響而處于不停的運動和變化之中。沿用陸地地形的概念，把海面相對于大地水準面的起伏稱為海面地形。瞬時海面——瞬時海面地形平均海面——似靜態(tài)海面地形沒有潮汐影響的海面地形有3~4米。海面地形的測量驗潮與精密水準聯測海洋水準衛(wèi)星測高驗潮站又稱潮位站。為了解當地海水潮汐變化的規(guī)律而設置的。為確定平均海面和建立統一的高程基準，需要在驗潮站上長期觀測潮位的升降，根據驗潮記錄求出該驗潮站海面的平均位置。精密水準測量是每千米水準測量高差中數的偶然中誤差(M△)不超過l毫米的水準測量。一般指國家二等或二等以上的水準測量。水準測量又名“幾何水準測量”，是用水準儀和水準尺測定地面上兩點間高差的方法。在地面兩點間安置水準儀，觀測豎立在兩點上的水準標尺，按尺上讀數推算兩點間的高差。通常由水準原點或任一已知高程點出發(fā)，沿選定的水準路線逐站測定各點的高程。由于不同高程的水準面不平行，沿不同路線測得的兩點間高差將有差異，所以在整理國家水準測量成果時，須按所采用的正常高系統加以必要的改正，以求得正確的高程。我國國家水準測量依精度不同分為一、二、三、四等。一、二等水準測量稱為“精密水準測量”，是國家高程控制的全面基礎，可為研究地殼形變等提供數據。三、四等水準測量直接為地形測圖和各種工程建設提供所必需的高程控制。海洋水準測量

marineleveling:為確定大陸沿岸和島嶼之間高差所進行的測量。海洋水準測量（oceanographicleveling）是通過測定海水密度、海面大氣壓、海水流速等海水物理特性，確定海面地形的測量技術和方法。主要用于測定深海海域的海面地形。包括：①位差一距水準測量，是將海面的等壓面視作等位面，通過測定海水分層的溫度、密度，用基本流體靜力方程計算平均海面相對于等位面的力高；②地轉流水準測量，是通過測定海面的流速，用地轉平衡方程（表征水平方向的科氏力與壓力的水平分量之間平衡關系的方程，當此方程被滿足時海水將穩(wěn)定且均勻流動）確定兩點之間的海面地形之差的；③連通管水準測量。2）海岸地形海岸線——海洋與陸岸的交界線。一般地圖上的海岸線是現代平均高潮線。海岸帶——海岸線向陸、海兩側擴展一定寬度的帶狀區(qū)域。我國采用向陸地擴展10公里，向海里擴展15米。與陸地測量的方法基本相同3）海底地形海底地形：海洋底部高低起伏的復雜程度不亞于陸地，既有高山深谷，也有平原丘陵，而且在規(guī)模上非常龐大，外貌上更為壯觀。高度超過一千為海山，小于一千為海丘，平坦被削去的為平頂海山，連綿不絕為海底山脈，比海底山脈廣闊平坦叫海膨，還有海臺，海盆等。3）海底地形據海底地形的基本特征，一般把海底地形分為大陸邊緣（分為大陸架、大陸坡、大陸?。⒋笱笈璧?、大洋中脊；大陸邊緣：大陸與海洋的邊緣地帶。大洋盆地：海洋的主題，其周邊與大陸基相連，也有與海溝或島弧直接相連。大洋中脊：屹立于大洋底部的巨大山脈。世界大洋的海底像個大水盆，邊緣是淺水的大陸架，中間是深海盆地，洋底有高山深谷及深海大平原海底的基本輪廓：沿岸陸地，從海岸向外延伸，是坡度不大、比較平坦的海底，這個地帶稱“大陸架”；再向外是相當陡峭的斜坡，急劇向下直到3000米深，這個斜坡叫“大陸坡”；從大陸坡往下便是廣闊的大洋底部了。整個海洋面積中，大陸架和大陸坡占20％左右，大洋底占80％左右。（一）大陸架大陸架是大洋低潮線至大陸坡上緣的邊緣海地帶。它的深度一般不超過200m，平均深度130m左右，個別地區(qū)深度也有大于500m或小于130m的。大陸架的地形比較平坦，90％以上的面積由大陸臺地的淹沒平原組成。地質構造上是大陸型地殼，是大陸直接延續(xù)的淺水海底部分。大陸架坡度一般不超過1°—2°，平均寬度為75km。太平洋西部沿岸大陸架寬廣，如白令海北部、黃海的全部都是大陸架（東西寬750km）。太平洋東部大陸架狹窄，如北美洲的加利福尼亞岸外南部大陸架寬20km，南美洲西岸外大陸架最寬才70km。大陸架形態(tài)很不規(guī)則。（二）大陸坡大陸架外沿、表面坡度較陡、深度一般在200—2500m的狹窄海底地帶，叫做大陸坡。大陸坡的平均傾斜角為4°—7°，有時為15°—26°，個別地段甚至達40°—50°。它一般具有階梯狀剖面，坡面地貌由臺階、陡坎、高地、洼地、峽谷和山脈等組成，其中橫剖面呈V形的海底峽谷分布相當廣泛，下切很深（可達2000m），長可達數百公里。太平洋大陸坡較窄，平均寬度只有20—40km。東太平洋海岸附近大陸坡水下斷崖，由阿拉斯加灣至加利福尼亞延伸4800km，這個水下臺階高達3000m。加利福尼亞南部大陸坡是堆積型大陸坡，由一些巨大的堆積盆地組成。（三）大陸基大陸基是延伸于大陸坡的坡麓和大洋床之間的地貌單元，呈幾百公里寬的帶狀。在大多數情況下，大陸基地貌為傾斜平原，大陸基的堆積物呈扇形分布，它一部分覆蓋在大陸坡的基部，一部分覆蓋在大洋床上，故亦稱大陸裾或大陸隆。坡度約1/100—1/700。海溝發(fā)育的太平洋基本上沒有這一單元，大陸基僅占太平洋洋底面積的1。7％。3）海底地形A大陸邊緣大陸邊緣一般包括大陸架、大陸坡、大陸隆(亦稱大陸基)；太平洋的大陸邊緣占太平洋總面積的10.2％，其中大陸架5.5％，大陸坡3％，大陸基1.7％約占海洋總面積的22%。*大陸架大陸架：毗連大陸的淺水區(qū)域和坡度平緩的區(qū)域；地質學上認為是大陸在海面以下的自然延續(xù)部分；取海岸線到水深200米以內；平均深度133米;寬度1~10000千米，平均寬度74千米；平均坡度0.1度。地殼為硅質花崗巖構成，浪、潮、流季節(jié)變化大，有豐富的油氣田，是漁業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)主要場所。*大陸坡大陸坡——大陸架外緣較陡傾斜的地區(qū)，號稱“地球上最大最陡的斜坡”。平均坡度4.3度，寬度15~90千米，深度200~2500米。地形——深且陡峭的v型海底峽谷，大陸坡上最顯著的地貌，有的谷深達2000到3000米。*大陸隆大陸隆——大陸坡外，向洋盆緩慢傾斜的平坦地區(qū)。面積大，平坦，深度2500~4500米，平均3700米。由路地基部向深海緩慢傾斜的沉積裾，其沉積物呈扇形分布。沉積物厚度達10余公里，寬達600余公里。其它地貌：海溝海溝——分布在大陸邊緣與大洋盆地的交界處，是海洋中的最深區(qū)域，深度一般超過6000米;一般沿著大陸邊緣或島鏈伸展。世界海洋總共有30多條海溝，約有20條位于太平洋。其他地貌：島弧島弧——呈弧形排列的群島。特點：弧形凸面朝向海洋，島弧外側常有深的海溝，是分割大洋盆地和邊緣盆地的重要構造地貌單元。成因：板塊學說認為，島弧是大洋板塊向大陸板塊俯沖時，大陸板塊受擠上拱，隆起而成。地質活動：島弧屬構造活動地區(qū)，有強烈的地震和火山活動。如太平洋上的千島群島、阿留申群島等B大洋盆地大洋盆地：海洋的主體，指大洋中脊坡麓與大洋邊緣之間的廣闊洋底；其周邊與大陸基相連，也有與海溝或島弧直接相連；大洋盆地的主要部分是水深4000~5000米的開闊水域，稱深海盆地；深海盆地中最平坦的地區(qū)稱深海平原。占海洋總面積的45%。C大洋中脊大洋中脊：屹立于大洋底部的巨大山脈。相對高度3000米以上，連綿數萬公里。占海洋面積32.7%；世界大洋中最宏偉的地貌單元。它隆起于洋底的中央部分，貫穿整個世界各大洋，線狀延伸，遍及全球，成為一個具有全球規(guī)模的洋底山脈。全球大洋中脊大洋的脊梁就是大洋中脊，它決定著海洋的成長。大洋中脊大西洋中脊的峰是鋸齒形的，分布在大西洋中間，大致與東西兩岸平行，呈"S"形縱貫南北。自北極圈附近的冰島開始，曲折婉蜒直到南緯40度，長達1.7萬公里，寬約1500一2000公里不等，約占大西洋的三分之一。其高度差別很大，許多地方高出海底5000多米，它平均高度約3000多米。高出海面部分，成了島嶼。如冰島就是大洋中脊高出水面的一部分。這樣巨大規(guī)模的山脈，是陸地上任何山脈無法比擬的。更為奇特的是，在大洋中脊的峰頂，沿軸向還有一條狹窄的地塹，叫中央裂谷，寬約30-40公里，深約1000-3000米。它把大洋中脊的峰頂分為兩列平行的脊峰。

三類海底地形的面積和比例海底地形地形單元面積102KM2占海洋面積%占地球面積%合計大陸邊緣大陸架、大陸坡大陸隆島弧、海溝55.019.26.115.35.31.710.93.81.215.9%大洋盆地深海盆地火山、海峰等海底高地，海嶺151.55.75.441.81.61.529.71.11.131.9%大洋中脊大洋中脊118.632.723.223.2%小結：海洋測量的內容海面地形海岸地形海底地形幾何水準海洋水準衛(wèi)星測高確定海岸地物和地貌的平面位置和高程同普通地形測量確定海底地物和地貌的深度和平面位置海洋水準測量（oceanographicleveling）是通過測定海水密度、海面大氣壓、海水流速等海水物理特性，確定海面地形的測量技術和方法。是用水準儀和水準尺測定地面上兩點間高差的方法。在地面兩點間安置水準儀，觀測豎立在兩點上的水準標尺，按尺上讀數推算兩點間的高差。通常由水準原點或任一已知高程點出發(fā)，沿選定的水準路線逐站測定各點的高程。2.2海洋物理基礎知識海洋環(huán)境的特殊性水中的含氧量少：人在水中不能呼吸。高壓區(qū)域:1個大氣壓為760毫米汞柱，等于10米水注。每下潛10米深度就相當于增加1大氣壓。低溫場所:

人員和儀器工作困難動蕩環(huán)境：海上觀測到的最大的浪高為30多米。水下通信困難:光穿透能力有限，擋住人們的視線。陸地上的電磁波在海水上衰減的厲害。得天獨厚的只有聲波；但聲波傳播速度慢，水下的通訊手段遠不如陸地上那么有效和先進。海洋儀器腐蝕或失效。海洋環(huán)境的特殊性黑暗世界水對光線有強吸收作用。即使光線強烈，太陽光也是只能照射到水下40米左右的深度。水對光線的吸收量比空氣大千倍以上，而且水越混濁吸收量就越大。天氣晴朗，光線在空氣中每行進1000米，約有5%~10%的光線被吸收?？梢姽庠谧詠硭忻啃羞M1米，被吸收25%以上；在暴雨后混濁的河水和沿岸海水中，每行進1米，就要被吸收掉85%~95%。水吸收光線的另一個特點是隨著深度的增加，按光波的長短順序逐個吸收，一般來說，長波光線先被吸收，短波光線后被吸收。例如：人們在水中很少看到紅色光。紅光是長波光，10米的表層內首先被水吸收掉。主要內容海水的物理特性光、電、聲在海水中的傳播

鹽度

溫度

密度海水的物理特性海水是指含有多種溶解固體和氣體的水溶液，其中水約占96.5％，其他物質約占3.5％。人們在陸地上發(fā)現的100多種元素，海水中就有80多種，其化合物的種類則更多。海水的組成成分主要來源于地球體的釋放、陸地沉積物以及突出在海中的玄武巖等與海水的化學反應。

海水的成分海水的鹽度海水鹽度——1千克海水中的含鹽量（克），采用符號S(‰)表示。利用“海水組成恒定性”，測定出其中其一主要成分的含量，便可推算出海水鹽度。480度加熱48小時

就海洋表面而言，鹽度主要與降水量、蒸發(fā)量有關。降水量比蒸發(fā)量大的海區(qū)，鹽度小；反之鹽度大。 另外，附近有陸地淡水匯入或有寒流經過也可以降低鹽度。 表層鹽度分布與氣候關系很密切，中高緯度地區(qū)，北大西洋最高，南大西洋、南太平洋次之，北太平洋最低。極地鹽度偏低與結冰、融冰有關。1千克海水中將（Br-，I-）以氯置換，碳酸鹽分解為氧化物，有機物全部氧化，所余固體物質的總克數。K:在一個標準大氣壓力下，溫度為15度時，海水樣品的電導率與標準KCL溶液的電導率之比。是海水中全部溶解固體與海水重量之比，通常以每千克海水中所含的克數表示。世界海洋的平均鹽度約為3。5％。鹽度的數量概念全球海洋海水鹽度的平均值：34.7‰全球海洋海水鹽度的變化范圍：32‰~38‰之間全球海洋海水鹽度的最大值：41‰（紅海）全球海洋海水鹽度的最小值：<10‰（波羅的海）在鹽度>42‰的海面上，人可仰臥在水面上看書寫字按國家規(guī)定，人體飲用水含鹽量標準應在1000毫克/升下世界大洋鹽度分布大洋表層的海水受蒸發(fā)、降水、洋流和陸地徑流等的影響，鹽度分布不均。根據大洋中鹽度分布的特征，可以鑒別水團和了解其運動的情況。在研究海水中離子間的相互作用及平衡關系，探索元素在海水中遷移的規(guī)律和測定溶于海水中的某些成分時，都要考慮鹽度的影響。此外，因為實際工作中往往難以在現場直接準確測定海水的密度，所以各國通常測定鹽度、溫度和壓力，再根據海水狀態(tài)方程式計算密度。1、兩極附近、赤道區(qū)、受陸地徑流影響的海區(qū)，鹽度比較小；2、在南北緯20度的海區(qū)，海水的鹽度則比較大；南鹽度變化圖北海區(qū)分布鹽度大小主要原因高緯度海區(qū)低緯度高、氣溫低、蒸發(fā)量少、水溫低副熱帶海區(qū)高副高控制、降水量少、氣溫較高、蒸發(fā)量大于降水量低緯度海區(qū)較低赤低控制、降水量大、降水量大于蒸發(fā)量高緯度海區(qū)由于海水有結冰與融冰現象，因而同一海區(qū)會呈現冬夏鹽度的季節(jié)變化，冬季溫度低海水結冰，因而鹽度偏高；春季以后海水融冰，鹽度偏低。波羅的海是世界上鹽度最低的海區(qū)，紅海是世界上鹽度最高的海區(qū)，除了受“氣候因素和有無陸地河流淡水匯入”這兩大因素的影響外，還有一個原因就是波羅的海和紅海都是由于“海域比較封閉”，其海水與外海的海水溝通比較少。海水的溫度收入：太陽輻射支出：蒸發(fā)溫度的數量概念全球海洋表面年平均水溫為17.4℃，比全球年平均氣溫14.3℃高出3.1℃。在1000米深處的水溫約為4℃~5℃；在2000米深處的水溫約為2℃~3℃；全球海洋平均溫度為3.5℃。海水的密度海水的密度——單位體積海水所具有的質量。海水密度是海水溫度、鹽度、壓力的函數。海水的密度隨著密度的增大向下遞增。大約從1500米深度開始，密度隨著深度的變化越來越小，在深層，海水的密度幾乎不再隨著深度的增加而變化。當水溫或者鹽度分布反常時，海水密度分布就會出現“躍層”。躍層會使水下聲波傳播時發(fā)生折射，潛艇躲在躍層下面能避開聲納偵察。躍層有兩種：一種是隨著深度增加，海水密度突然增大。這種躍層比較穩(wěn)定，潛艇可以停機后坐在上面，既節(jié)省燃料，又隱蔽安全。所以人們把這種躍層稱為“波體海底”。還有一種躍層，是密度隨深度增加時密度突然降低。這種躍層極不穩(wěn)定，一旦遇到擾動，上層密度大的海水就會下沉，就會遭到破壞。如果潛艇在這種躍層上航行或停坐就很危險，可能會突然下沉失去控制而墜毀海底，所以人們把它叫做“海底斷崖”。

海水的密度是海水鹽度、溫度和壓力的函數：海水密度略大于1；密度變化赤道地區(qū)密度小，約有1.0230。由赤道向兩極變大，可達到1.0270以上。海水密度隨深度的增大向下遞增。約從1500米深度開始，變化越來越小。海水密度：海水的密度比純水大，約為1.022一1.028g／cm。它隨溫度、鹽度和壓強而變化。溫度升高時密度減小，鹽度增加時密度增大，氣壓加大時密度增大。純水以4℃時密度大，當鹽度為2.47％對，最大密度的溫度與結冰溫度為一1.332℃。通常情況下海水鹽度為3.46％（死海鹽度最高，達30％——死海是咸水湖），所以，最大密度的溫度比結冰溫度低海水的密度會隨著季節(jié)產生變化。輪船有一條“吃水線”。它是貨船在海水里裝貨的標準?！俺运€”下有四條短線，是貨船在不同海區(qū)，不同季節(jié)使用的裝貨標準。這與海水的密度有關小結：海水的性質海水溫度海水鹽度海水密度分布規(guī)律由赤道向兩側遞減隨深度增加而遞減由副熱帶海區(qū)向兩側遞減隨深度增加而遞增赤道小，兩極大隨深度的增大向下遞增影響因素太陽輻射洋流地形氣象降水量和蒸發(fā)量之差河川徑流、洋流、海區(qū)封閉程度溫度鹽度深度小結：各種性質的分層混合層：海洋的表層（厚度約為100米），受太陽的輻射的加熱作用，海水溫度較高，密度小，但由于風和波浪的攪拌作用，形成一個基本勻質的水層；稱為上混合層，或者季節(jié)變化層；隨著海水深度的增加，溫度降低，密度增高，在上混合層之下，存在著一個厚度約1000~1500米的躍層，海水溫度和海水密度、鹽度隨著海水深度增加而呈現階越性變化。躍層之下更深的水層中，溫度、鹽度、密度的垂直分布幾乎處于均勻狀態(tài)，這一水層稱為深海層。為什么講海水的性質?海水性質的變化規(guī)律影響光聲電的傳播規(guī)律折射率——海水溫度、鹽度、密度的函數當水溫或者鹽度分布反常時，海水密度分布就會出現"躍層"。躍層會使水下聲波傳播時發(fā)生折射，潛艇躲在躍層下面能避開聲納偵察。躍層有兩種：一種是隨著深度增加，海水密度突然增大。這種躍層比較穩(wěn)定，潛艇可以停機后坐在上面，既節(jié)省燃料，又隱蔽安全。所以人們把這種躍層稱為"波體海底"。還有一種躍層，是密度隨深度增加時密度突然降低。這種躍層極不穩(wěn)定，一旦遇到擾動，上層密度大的海水就會下沉，月就會遭到破壞。如果潛艇在這種躍層上航行或停坐就很危險，可能會突然下沉失去控制而墜毀海底，所以人們把它叫做"海底斷崖"光電聲在海水中的傳播長期以來，人們主要利用光、聲、電技術來研究海洋；衛(wèi)星技術用于研究海洋以后，光、聲、電技術在探索海洋、研究海洋、開發(fā)海洋資源中，發(fā)揮了更大的作用。一、光波在海水中的傳播名稱頻率范圍(Hz)波長(μm)遠紅外0.3×1012~3.0×10121000~100中紅外3.0×1012~1.0×1014100~3近紅外1.0×1014~4.3×10143~0.7可見光4.3×1014~7.5×10140.7~0.4紫外光7.5×1014~3.0×10160.4~0.01名稱波長(μm)紅0.62~0.76橙0.59~0.62黃0.56~0.59綠0.50~0.56青0.47~0.50藍0.43~0.47紫0.38~0.43光波在海水中的傳播吸收過程——光子能量轉變?yōu)闊崮堋⒒瘜W能等引起的多種熱力學不可逆過程。散射過程——受介質微粒作用而使光偏離直線傳播方向的光輻射。兩個基本過程：吸收和散射的雙重作用使光能逐漸衰減；吸收過程——衰減散射過程——改變了光的前進方向——水中的粒子，微粒，透明物質的散射和折射水對光線的傳播特點光線在水中的衰減比空氣大千倍以上；水是光的不良導體；水越混濁衰減越大；隨著深度的增加，按波長長短順序逐個吸收，一般來說長波先被吸收，短波后被吸收。藍光的散射和吸收大致相等。其他的以吸收為主潛水員在水下的色覺改變；如果潛水員在水下作業(yè)時不小心受傷流血，他不會看到自己手上流出來的紅血。因為太陽光中的紅光是長波光。他被水深10米的表層內首先被水吸收掉。血看起來是藍黑色。例：光的吸收在天氣晴朗時，光線在空氣中每行進1000米，約有5%~10%的光線被吸收。可見光在蒸餾水中每行進1米，就被吸收10%以上。在自來水中每行進1米，被吸收25%以上在湖水中每行進1米，被吸收50%以上。在暴雨后混濁的河水和沿岸海水中，每行進1米，就要被吸收掉85%~95%；例：水中的視程水中的水平視程（能見度）通常為大氣中視程的千分之一左右。水中目標的識別，取決于目標與的背景的對比度。當表現對比度下降1/e時，觀察距離l=1/(μ+kcosθ)，稱l為對比度衰減長度。對比度衰減長度清潔海水20米海岸帶海水5米混濁水體若干厘米水平觀察視程自然光照條件黑色目標4個衰減長度其它目標3.5個衰減長度夜晚自身發(fā)光目標15~20個衰減長度水中照相2~4個衰減長度E=2.71828對比度衰減長度：表現水中能見度的一個單位根據對比度傳輸規(guī)律，當表現對比度下降1/e時，觀察距離l=1/(μ+kcosθ)，稱l為對比度衰減長度。清潔的海水的對比度衰減長度可達20米左右，海岸帶水體的對比度衰減長度約為5米，混濁水體的對比度衰減長度有時只有幾厘米。人眼所能觀察到的對比度的下限為0.02，黑色目標在自然光照條件下的水平觀察視程為4個衰減長度，而大多數目標的視程為黑色目標視程的7/8。在夜晚無自然光照條件下，自身發(fā)光的目標的視程，在理論上可達無窮大，但實際上只能達到15～20個衰減長度。盛夏，光線強烈的情況下，太陽光也只能照射到水下40m左右的深度；例：大洋的顏色海水的顏色是由海面反射光和來自海水內部的回散射光的顏色決定的。由于藍光和綠光在水中的穿透力最強，所以它們回散射的機會也就最大。所以，海水看上去呈藍色或者綠色。日光投射到海面上，部分被反射，其余進入水中。海水吸收紅光最多，透射藍光最多。大部分紅光僅能射入2到3米水層。藍光穿透最深，超過500米。海水中的懸浮顆粒對波長短的藍光與綠光吸收較多，而對其他光的散射則與光的波長無關。海水的顏色主要由水分子和懸浮顆粒對光的散射所決定，所以混濁程度不同的海水顏色也不同。近岸的海水懸浮顆粒多，而且顆粒也大，所以，從遠海到近岸水域，海水顏色依次由深藍逐漸變淺。在含沙量較多的河口附近，海水中有大量陸地植物分解產生的淺黃色物質，因此海水看上去為淡綠色二、電磁波在海水中的傳播空氣淡水海水介電常數/電容率18080電導率(歐姆/米)01~5×10-30.7~7表征媒質電學特征和導電性電磁波的傳播速度與介電常數的平方根成反比電導率越大，衰減越大介電常數又稱電容率或相對電容率，表征電介質或絕緣材料電性能的一個重要數據，常用ε表示。它是指在同一電容器中用同一物質為電介質和真空時的電容的比值，表示電介質在電場中貯存靜電能的相對能力。與海水溫度、鹽度、波的頻率有關二、電磁波在海水中的傳播頻率速度（米/秒）穿透距離1赫茲1.8×1031160米100赫茲18×103116米1兆赫2×1061米10000兆赫2.7×1084毫米頻率越高，電磁波的傳播速度越大；頻率越高，電磁波的衰減越快；穿透距離——電磁波的振幅衰減為原來的1/E時的傳播距離。結論：電磁波的傳播兆赫以上的電磁波在海水中的穿透深度小于25厘米，海水對這種電磁波就成為很強的屏蔽層。頻率低于10周/小時的電磁波，海水中的穿透深度可達5000米。在海水中接收來自空間的電磁波進行通訊或海底測深，以低頻而波長較長的電磁波較為有利，而高頻電磁波無實用價值。小結：光波、電磁波的應用光波和各種電磁波在海水中被吸收得很厲害，衰減很快，只能傳播很短的距離，而且波長越短，衰減越大；使用幾千赫的低頻電波，用很大功率的長波發(fā)射電臺，也只能和幾十米深處的潛艇通信；即使在最清澈的海水中，人們最多也只能看到十幾米到幾十米以內的東西；小結：光波、電磁波的應用研究和探測大氣和海洋表層界面的物理和化學特性中，海洋光學技術，電子技術獲得了廣泛應用。特別是基于海洋遙感技術和設備發(fā)揮了重要作用基于可見光波段的航空或宇航照相系統；基于紅外波段的多光譜掃描系統和紅外探測系統；基于厘米波段的微波系統基于十米波段的超視距雷達和合成孔徑雷達探測系統可見光傳感器——借助于可見光實現遙感的儀器各種類型的照相機、多光譜照相機，多光譜掃描儀，沿岸帶水色掃描儀，電視攝像系統；適于拍攝云圖，觀測海冰，海岸形態(tài)，沿岸流流向，波浪，海島，海灘定位，測定海灘水色透明度和葉綠素含量等。微波——根據海水的導電性：鹽度油層的厚度海面風；紅外——溫度，熱污染的監(jiān)測三、聲波在海水中的傳播聲波可聞聲波（f:16Hz~20000Hz）次聲波（f<16Hz）超聲波（f〉20000Hz）波長短能以很窄的束射形式發(fā)射，具有很強的方向性，貫穿能力1、聲波在海水中的吸收吸收系數：單位距離能量衰減的程度1.3×103f1/20.036f3/2聲波的吸收能量形式傳播速度吸收系數電磁波3×1081.3×103f1/2聲波1.5×1030.036f3/2聲波的速度比電磁波?。宦暡ǖ奈論p失比電磁波??；2、聲速聲速——在液體中聲波的傳播速度，為：介質類型K達因/厘米2ρ

克/厘米3C米/秒空氣1.41×1061.22×10-3340海水2.15×10101.021450對彈性體施加一個整體的壓強p，這個壓強稱為“體積應力”，彈性體的體積減少量(-dV)除以原來的體積V稱為“體積應變”，體積應力除以體積應變就等于體積模量:K=P/(-dV/V)聲速是S、P、T的函數經驗公式：與溫度：隨溫度升高而增大。溫度升高1攝氏度聲速的變化是原來的0.35%，設C=1450m/s，則聲速將增加5m/s;與鹽度：隨鹽度增加而增大。鹽度增加1，聲速值增加1.14m/s;與壓力：靜壓力增加，聲速值增加。海水深度變化100米，聲速增加為1.75m/s。聲速與水深聲道軸上層水域中，聲速的變化主要是由溫度和鹽度的變化決定；較深的水中，聲速的大小主要是取決于海水的壓力在水下某深度處存在一聲速極小值，其所在的水層稱為聲道軸。3、聲波的反射和折射聲波遇到不連續(xù)界面時，將產生反射和折射現象。與在空氣中不同，聲音在海水中的傳播速度取決于海水的溫度、壓力和鹽度，其傳播路徑也不是直線的，而是按斯涅爾定律呈圓弧形。斯涅爾定律是空氣中光波的傳播定律，但適用于聲波在水中的傳播。當水的密度發(fā)生變化時，聲波會出現折射現象。聲波從低密度層向高密度層傳播時，向法線方向折射；相反，從高密度層向低密度層傳播時，則向偏離法線方向折射。此外，海面和海底還會使聲波產生散射，出現圓弧會聚現象，使從某一聲源發(fā)出的聲波不能從某一海區(qū)通過。聲射線路徑聲射線——聲波在海水中的傳播路徑，簡稱聲線；聲射線呈拋物線，凹向聲速小的方向。聲波從低密度層向高密度層傳播時，向法線方向折射；相反，從高密度層向低密度層傳播時，則向偏離法線方向折射。聲波的傳播

聲波從低密度層向高密度層傳播時，向法線方向折射； 從高密度層向低密度層傳播時，則向偏離法線方向折射。4、水下聲道水下聲道——若聲源位于聲道軸附近，則所輻射的大部分聲波的能量集中在聲道軸上下一定厚度的水層中向遠方傳播，此水層稱為水下聲道。由于在聲道軸上下方的聲速梯度的方向相反，按聲波折射定律，聲傳播方向將凹向聲道軸，故使聲波經過海面和海底的反射，而在聲道中反復的傳播。在水下某深度處存在一聲速極小值，其所在的水層稱為聲道軸，由于在聲道軸上下方的聲速梯度的方向相反，按聲波折射定律，聲傳播方向將凹向聲道軸，故使聲波部經過海面和海底的反射，而再聲道中反復的傳播；聲速隨著水接近溫躍層時的溫度下降而減慢。在溫躍層下，溫度是不變的，但是壓力的增加引起聲速增加（左）。因為聲波向速度最小的區(qū)域轉向或折射，溫度或壓力的變化引起聲波在稱為深層聲音通道（又叫聲音固定和延伸渠道）的地區(qū)內前后跳動，在這條通道里，聲音以最小的信號損失傳播很長距離。

聲波在水下聲道中的傳播水下聲道的深度一般在900~1300米左右；聲波在水下聲道中的傳播距離可達幾千公里，低頻聲波甚至能傳播上萬公里遠。在水下通訊，營救，海嘯預報等方面有重要意義；進行海底地質勘探時，通過測量海底各地層中的聲速，可判斷出海底的地質構造。5、海底地層中聲波傳播地球物理勘探——由于海底地層的物質組成和構造不同，對同一地震波產生的反射波也不同，地震波在地下傳播時，在不同介質中以不同速度傳播，遇到不同的地層分界面，會產生反射和折射而返回地面，接收反射波，就能準確測定界面的深度和形態(tài)，判斷地層的巖性，勘探含油氣構造，石油等。世界上比較著名的英國北海油田就是用這種方法發(fā)現的。它主要利用一種拖曳式線列陣聲吶，用人工在海下制造小地震的方法，記錄局部海區(qū)的地貌，借以判斷有無油氣田。我國從北到南的近海地區(qū)正在開展這類勘探。海底沉積物類型與聲速沉積物類型顆粒的直徑沉積物的含量密度聲速沙淤泥粘土大陸架粗砂0.530mm100%__2.031836大陸架細砂0.153mm88.1%6.3%7.1%1.981742…………………小結：聲波的應用廣泛用于研究水下通訊，導航，海底地質，地形地貌，資源勘探，海洋生物等聲納(SONAR):soundnavigationandranging四、聲納技術水聲技術——研究和開發(fā)海洋所用的聲學技術叫做水聲技術；聲納系統——利用水下聲波的傳播特性來進行水中目標探測，識別，定位，導航和通訊的設備系統，都廣義的稱為聲納系統。1、聲納技術的發(fā)展1490年，意大利著名藝術家和工程師達。芬奇曾在他的筆記中這樣寫到：“如果使船停航，將一根長管的閉口端插入水中，而將另一開口端放在耳旁，便能聽到遠處的航船聲”。很早以前，漁夫就通過發(fā)出大的聲音，例如敲鐘并聽回聲的方法，來估計前面被大霧掩蓋住了的陸地的距離。到1902年，航行過美洲海岸的船只通過安置在固定燈船上的水下鐘來獲得暗灘的警告。聽測管：不發(fā)射聲波，專門聽測水下目標發(fā)出的聲信號的聲納聲納技術的發(fā)展1826年，瑞士和法國的科學家在日內瓦湖中測到聲波在水中傳播的速度是1435米/秒；從那時起人們就知道聲波不僅在水下可以傳播，而且比在空氣中傳播的更快，更遠。聲納技術的發(fā)展1912年4月14日，加拿大紐芬蘭島南部的洋面上，航行著英國四萬噸級豪華大客輪“泰坦尼克”號。23點40分，船上瞭望員發(fā)現一座巨大的冰山出現在離船不遠的正前方。但改變方向已經來不及了，船殼撞裂，船身下沉，1500人遇難。英國科學家L.F.里查遜在船沉沒后5天和半年中，連續(xù)申請了兩項專利，提出，用聲波在空氣和水中探測障礙物；聲納技術的發(fā)展1913年，美國科學家R.A.費森登制造了世界上第一臺測量水下目標的“超聲波回聲探測儀”以尋找沉船“泰坦尼克號”；1914年4月，成功的用這臺儀器在2英里的距離上探測到冰山。聲納技術的發(fā)展：軍事上1776年7月4日，美國人戴維特.布什內爾利用自己制造的“海龜號”對企圖侵占紐約的英國水面艦艇成功地進行了襲擊，從而揭開了水下戰(zhàn)斗的序幕。一戰(zhàn)期間，各國潛艇共擊沉192艘戰(zhàn)斗艦艇，運輸船約6000艘。二戰(zhàn)期間，德國潛艇不僅襲擊軍艦，而且還瘋狂地攻擊商船。僅1939年9月，德國潛艇共擊沉同盟國和中立國的船只41艘，15.4萬噸。對盟國的海上運輸生命線構成了極大的威脅。聲納技術的發(fā)展聲吶的出現，對潛艇構成極大的威脅，成為潛艇最大的克星之一。在第二次世界大戰(zhàn)中，隨著戰(zhàn)爭的進行，各海軍強國在聲吶方面的研究投入了大量的人力物力，使聲吶的質量有了明顯的提高。為了提高潛艇的生存能力，二戰(zhàn)中各國都想方設法制約對方聲吶的探測，又產生了（水聲）對抗。2、聲納系統主動聲納技術——是指聲納主動發(fā)射聲波“照射”目標，而后接收水中目標反射的回波以測定目標的參數。大多數采用脈沖體制，也有采用連續(xù)波體制的。被動聲納技術是指聲納被動接收艦船等水中目標產生的輻射噪聲和水聲設備發(fā)射的信號，以測定目標的方位。由發(fā)射換能器把電信號變?yōu)槁曅盘?，在水下發(fā)射出去。當它照射到一個目標時，反射信號或稱“回波”就被接收換能器收到，再變換為電信號送給接收機。被動聲納技術——是指聲納被動接收艦船等水中目標產生的輻射噪聲和水聲設備發(fā)射的信號，以測定目標的方位。主動聲納包括聲波發(fā)射和接收裝置。被動聲納只有聲波接受裝置。一臺現代化的聲納還包括復雜的電子裝置和計算機系統。

3、聲納的應用海洋環(huán)境參數的測量海底地形，地貌，底質勘探導航及其它應用由于電磁波在海水中衰減很快，所以海洋中探測、導航、定位和通信主要是用聲波，聲波是水中信息的主要載體。聯合國大陸架界限委員會認為要用5種設備測量才能認可為劃界提供的圖件和資料，其中3種設備是聲吶，它們都屬于海洋聲學技術的研究范疇。美國科技白皮書—海洋高技術中，海洋聲學技術占有重要篇幅。每年召開的OCEANS會議中，海洋聲學技術占有1/3以上的篇幅。隨著海洋科學和開發(fā)的迅速發(fā)展，海洋聲學技術已發(fā)展成為海洋高科技中的重要組成部分，已成為聲學中的獨立的分支學科。1）海洋環(huán)境參數測量（1）波浪測量（2）海流測量（3）海中聲速測量（4）大洋測溫1）海洋環(huán)境參數測量波浪測量波浪運動所產生的功率與浪高及其周期有關。

P≈0.55H2T

，單位為kW·m-1（千瓦·米-1），H為浪高（m），T為波浪周期。用波浪的能量可以發(fā)電。我們可以用定點浪高儀來測量波浪高度的變化規(guī)律，為開發(fā)潮汐能提供原始依據。定點浪高儀是一種簡單的主動聲吶，利用聲波到達海面時的全反射來記錄浪高。海流測量大洋環(huán)流的流速比較穩(wěn)定。利用海流計可以測量海洋中的流速及流向，根據所測得的數據繪制大洋流速、流向圖，是航海家不可缺少的資料。比較先進的海流計是利用多普勒效應進行測速的系統。它不僅可以測量大洋表面的海流還可以測量海流剖面。1）海洋環(huán)境參數測量海中聲速測量聲速是海水作為水媒質的一個重要參數。海洋中聲速剖面圖是海軍艦只活動的必備資料。因為無論是攻擊敵方還是保存自己，都必須利用聲速剖面圖來規(guī)劃自己的航行細節(jié)和聲吶使用技巧。常用聲速測量儀是一種可以和PC聯結的聲學探頭。當把探頭由海面放下去之后，即可將經過的路徑中的溫度、鹽度與深度數據采集記錄下來。由PC中的專用軟件換算出聲速并提供聲速剖面。大洋測溫地球上的一些災害性天氣或環(huán)境變化都會引起大洋溫度的微小變化。利用聲波在大洋中長距離（幾千公里）的傳播可以把溫度的微小變化測量出來。1991年開始，美國、加拿大等國已在實施這一計劃。我國也從1995年開始參加。在夏威夷島引爆小型炸彈，在世界各地接收聲信號來推算大洋溫度的變化。用聲音探測海洋內部從南印度洋上的赫德島海岸發(fā)出的低音被18,000多公里以外的地方探測到2）海底地形、地貌及地質勘探（1）回聲測深儀（2）海底地形、地貌儀（3）近海油氣田勘探2）海底地形、地貌及地質勘探回聲測深回聲測深儀是一種高頻窄波束主動聲吶。目前各大洋都已被廣泛地進行測量，并繪制了海底等深線圖。海底地形、地貌儀這是一種多波束主動聲吶，用于繪制海底的地形、地貌。為海底電纜、輸油管的敷設提供依據。近海油氣田勘探聲學數字地震勘探技術是近海油氣田勘探的主要手段。世界上比較著名的英國北海油田就是用這種方法發(fā)現的。它主要利用一種拖曳式線列陣聲吶，用人工在海下制造小地震的方法，記錄局部海區(qū)的地貌，借以判斷有無油氣田。我國從北到南的近海地區(qū)正在開展這類勘探。水下考古科研人員將這些古建筑和其它水下可疑物體都標注了精確的經緯度坐標，今后潛水員將對水下目標進行逐個探摸。3）導航及其它應用海上船只的導航、巨輪的靠岸都需要不同類型的聲納；此外海難救助也要利用“聲發(fā)”聲道。隨著人類向海洋進軍的廣度及深度的不斷提高，水聲學在海洋開發(fā)中的作用也會越來越大。二戰(zhàn)中，被擊沉的潛艇中有60%是利用聲納一類水聲設備發(fā)現的；在民用航海中，水聲技術可用于探測水深，判斷暗礁；在漁業(yè)上，可以用于探魚，用小型聲納浮標進行魚群跟蹤；在潛水員的水下活動中，采用水聲通訊機在潛水員之間，或他們同船上、岸上的通訊。超聲波探魚器4、典型的聲納系統主動聲納被動聲納聲納重入系統水聲遙測遙控水聲通訊儀1）主動聲納

第一次世界大戰(zhàn)以后的年代里，主動聲吶和被動聲吶都得到進一步的發(fā)展。英美以發(fā)展主動式聲吶為主，使用了較高的頻率，使之與本艦的噪聲頻段相差較遠，能不受本艦噪聲干擾，如朗之萬的聲吶頻率是38kHZ，后繼的聲吶頻率也大多在10～30kHZ，而且由于頻率較高，可以形成很強的指向性。1）主動聲納一位上海海事局的工作人員正將聲納設備上的拖魚放入長江中。掃描2）被動聲納建立亞太反潛鏈，美軍用聲納監(jiān)視亞太海洋

建立聲納反潛鏈，最初美軍并不是主要針對中國，而是冷戰(zhàn)期間為了對付蘇聯的潛艇威脅。當時美國聯合日本、澳大利亞等國部署了一條上萬公里的監(jiān)視線，采用沿大陸架部署方式監(jiān)視蘇聯核潛艇在西太平洋地區(qū)的活動。這條監(jiān)視線沿白令海峽外的阿留申群島南下千島群島，經過日本群島延伸到琉球群島末端。這條“反潛鏈”由海底固定的被動聲納、水面艦艇、反潛飛機等設備組成。冷戰(zhàn)結束后，“反潛鏈”在蘇聯的解體后繼續(xù)加強，特別是千島群島至琉球群島一線的反潛力量比冷戰(zhàn)期間大大增強，而這一監(jiān)視區(qū)域正是我國北海艦隊、東海艦隊進出太平洋的門戶。2）被動聲納美國在大西洋和太平洋沿岸水域裝有"凱撒"和"巨人"兩個海岸聲納監(jiān)聽系統，可以在離海岸1000公里的距離之內發(fā)現和跟蹤潛艇。"壁壘"和"野馬"聲納系統則能覆蓋英國和冰島之間的海峽。在亞速爾群島安置的"阿法爾"聲納系統可以監(jiān)視任何一艘通過直布羅陀海峽的潛艇。美國是最早建立被動監(jiān)聽網絡的，太平洋整個都在他的監(jiān)聽范圍內，聲納主要用于對水面艦艇、潛艇和其它水中設備進行搜索、識別、跟蹤和水面通信等。聲納偵察也稱水聲偵察，是指使用被動式聲納進行的聲學偵察。主要任務是：截收對方各種主動式水聲設備及原發(fā)性聲場的聲信號，測定其技術參數及方位、距離，以掌握敵艦動態(tài)，或為進行水聲干擾和艦艇使用武器提供可靠依據。一般潛艇上通常裝有多種類型的聲納。如：噪聲測向儀、回聲定位儀、偵察儀、探雷器、水下敵我識別器、水下通信儀、聲速測量儀、聲線軌跡儀、測深儀、測冰儀等，構成了一個水聲綜合系統。德國是戰(zhàn)敗國，根據凡爾賽和約的規(guī)定，不得建潛艇，并只能有噸位小的軍艦。他們集中發(fā)展被動聲納。3）動態(tài)定位和井口重入技術為了研究大洋底的成因，驗證海底擴張理論，美國等國家在1968~1975年，進行了耗資巨大、技術難度很高的深海鉆探計劃。把鉆探船停在4~5km的深海上，向下鉆探，如果船移動，長達幾千米的鉆桿就會扭斷，這需要動態(tài)定位系統。在水底放置一個水聲應答器作為基點，同時在船上放置三個水聽器進行應答測距。當外界條件使船位移時，水聲應答器測距系統測出三個距離的變化，開動推進器使其復位。鉆探時，風暴襲來或發(fā)生其他意外。只好起鉆開航，但是井口還沒有鉆完，下次再來時如果不能使鉆頭送入原來的井口，就只好重新再鉆。利用聲納重入系統可以找到井口。4）水聲通訊技術2.3海流海流——海水以一定速度和方向大規(guī)模非周期運動。成因分類（1）風海流（2）密度流（3）補償流墨西哥灣暖流

墨西哥灣不但匯聚了南北赤道暖流(南赤道暖流受信風帶影響向西流，受到南美洲沿岸直角的輪廓并在南緯7°附近向東伸入的影響，分為南北兩支，其北支成為墨西哥灣暖流的一部分)，而且還接納了由信風不斷輸送的暖水，使墨西哥灣成為巨大的“熱蓄水庫”。由于墨西哥灣比附近的大西洋水位要高，因此從佛羅里達海峽流出(見圖)。洋流寬度150千米，深度達800米，流速為130～150千米/每天，表面水溫27℃～28℃，構成強大的佛羅里達洋流。佛羅里達洋流與東南來的暖流匯合后，稱墨西哥灣暖流，簡稱灣流。巨大浩蕩的灣流日夜不停地向北輸送熱水，它所經的地方水溫和氣溫都大幅度升高。灣流寬約60千米，深800米，最大流速為100千米／每天。風海流風

在風的影響下，海洋表層的海水沿一定方向有規(guī)律的大規(guī)模流動。大氣運動和近地面風帶，是海洋水體運動的主要動力。盛行風吹拂海面，推動海水隨風漂流，并且使上層海水帶動下層海水流動，形成規(guī)模很大的洋流，這叫做風海流。密度流由密度差異影響而形成的洋流地中海大西洋各個海域因海水的溫度、鹽度不同，導致海水密度分布不均，引起海水的流動，這叫做密度流。補償流60o盛行風由

影響而形成的洋流密度流

風海流由風力和密度差異所形成的洋流，使海水流出的海區(qū)海水減少，相鄰海區(qū)的海水便會流來補充，這樣形成的洋流叫做補償流，有水平的也有垂直的。（秘魯漁場）洋流的影響對氣候的影響；對漁業(yè)的影響；對航海的影響；對污染的影響；對海平面的影響；大地水準面和海面地形與洋流有關2、海浪海浪——海浪是發(fā)生在海洋中的一種波動現象風浪涌浪近岸浪風浪指的是在風的直接作用下產生的水面波動。基本特征：風浪中同時出現許多高低長短不等的波，波面較陡，波峰附近有浪花或大片泡沫。此起彼伏，瞬息萬變。波面粗糙，波峰線也短。涌浪--指的是風停后或風速風向突變區(qū)域內存在下來的波浪和傳出風區(qū)的波浪。其基本特征：具有較規(guī)則的外形，排列整齊，波面較平滑、波峰線長。近岸浪--指的是由外海的風浪或涌浪傳到海岸附近，受地形作用而改變波動性質的海浪?；咎卣鳎汉Ｋ儨\，波動傳播速度變小，致使波峰線彎折而漸漸地和等深線平行。這時，波速和波長隨水深變淺而減小，同時由于波動在傳播中遇到障礙會引起折射、繞射