书城科普读物认识海洋系列丛书:海洋中无处不在的科学
44939100000015

第15章 海水的学问(4)

我国渤海的海水透明度一般仅3~5米,黄海约3~15米,东海的外海约25~30米。全球各大洋中以马尾藻海的透明度最大,最高时可达72米,这是因为该海远离大陆,处于大洋的环抱之中,除了漂浮有马尾藻等大型海藻外,浮游生物及颗粒悬浮物非常少,因而其透明度要比其他海域高。

海水透明度的测量方法

测量海水透明度的经典方法是用透明度板:将一个直径30厘米的白色圆盘——透明度板(也称塞克板)系于测深绳上,再平放至海水中,由重锤带其缓慢下沉,在水面上垂直向下观察,当透明度板下沉至刚刚看不到时的水深,即为该处海水的透明度值(常以米为单位计量)。

随着测量技术的进步,现在人们也可以用带有光电管的测量仪器,如光束透射计等来测量海水透明度,因而其测量也将变得更加准确快捷。

测量海水透明度大海是蔚蓝的,这是人们对海洋的第一印象。水是无色透明的,而海水为什么会是蔚蓝色的呢?究其原因,主要是由于海水对阳光中不同单色光的散射结果。海水对阳光中波长较长的红光与橙光吸收多而散射少,而对蓝光则吸收少而散射多,因而人们看起来大海与天空一样都是蔚蓝的。其实大海也并不总是蔚蓝的,特别是近岸的海水,更多的时候是呈现蓝绿色、黄绿色,甚至是棕黄色。

海水之所以会呈现不同的颜色,主要由海水的光学性质以及海水中颗粒状悬浮物的颜色与多少等因素所决定。在热带的大洋中,海水是洁净的,水深且颗粒悬浮物很少,因而在阳光照耀下海水总是湛蓝湛蓝的。若海水中悬浮有泥沙等颗粒物,由于泥沙呈棕黄色乃至黑褐色,根据含泥沙量的不同,海水可呈现黄色、棕黄色乃至褐色等不同颜色。当海水中生存有大量的浮游微藻类,由于微藻的种类及其色泽不同,海水可呈现绿色、黄绿色、黄褐色、棕红色,甚至是红色。人们常说的赤潮,就是由于水中含有大量赤潮生物而使海水呈现红色(或黄褐色),赤潮也是因此而得名的。此外,海水的颜色还要受天空中的云层高度、云层色泽、光照强度、太阳高度等因素的影响。例如,当天空晴朗时海水本来还是十分悦目的蔚蓝色,一旦阴云密布海水会立即变为昏暗的墨绿色。

海水水色的测定一般多使用透明度板和水色计。在阳光不能直接照射处将透明度板下沉至透明度一半的深度,由水面上垂直观察透明度板白盘所显示的颜色即为该处海水的水色。水色级别的确定还需要用水色计进行比较,与水色计中系列标准水色管的色泽最接近的色级就是该处海水的水色级别。

水色计是由22支长10厘米、直径8毫米,内封装“弗莱尔水色标准液”的无色玻璃管组成。标准液是由精制的蓝、黄、褐3色溶液按不同比例配置而成,由蓝色逐渐过渡到褐色共分为21个色级,1号为蓝色,21号为褐色;中间则依次为深浅不同的天蓝色、蓝绿色、绿色、黄绿色、黄色、棕黄色、黄褐色、红褐色、棕褐色等,按色泽变化深浅程度依次排列。

海水的冰点

海水开始冻结的温度称为海水的冰点。海水的冰点随盐度及水深的改变而改变,盐度增高冰点降低,水深增加冰点海面的上浮冰

下降。例如:在正常压力下,盐度5的海水冰点为-0.275℃,盐度15的海水冰点为-0.81℃,盐度25的海水冰点为-1.36℃,盐度33的海水冰点为-1.81℃,盐度35的海水冰点为-1.92℃。海水深度每增加100米,冰点下降-0.08℃。

海水的酸碱度(pH值)

海水的酸碱度又称海水pH值。海水中由于含有较多的碱性元素,如钠、钙、镁等,因而正常情况下呈弱碱性,pH值大约为8.1。

溶解氧

海水中氧气的含量大约在4.6~7.5毫克/升的范围。其含氧量受水温及压力影响较大,水温升高则含氧量减少,压力增大含氧量也减少。由于全球的海洋是相互沟通的,因此自然状态下很黑海少存在不含氧的水团。但黑海却是个例外,其200米以下的水层中几乎不含氧。黑海由于有几条大河注入,表层水的盐度很低,海水几乎不存在垂直对流的现象,因此表层水中溶解的氧很难到达底层,加上黑海与其他海的沟通又不是特别顺畅,因而底层水极度缺氧。在缺氧的情况下,底层中的嗜硫菌将硫酸盐分解为硫化氢,致使其底层海水略呈黑色。黑海也由此而得名。

海水中光的传播和

声音的传播在热带海域,照射到海面上的太阳光大约有10%被反射,90%被海水吸收。而在极地海域,因为冰层的反光率高,大约有60%~80%的阳光被反射,只有20%~40%被海水吸收。全球海洋的平均吸光率约65%。

海水对不同波长的光吸收率不同。有人曾用洁净的海水做过实验,将不同波长的单色光透过1米厚的海水层,结果波长675纳米的红光被吸收30.7%,波长450~475纳米的蓝光被吸收1.8%~1.9%,波长400纳米的紫光被吸收4.0%,由此可见,海水对蓝光的吸收率最低,而对波长大于或小于蓝光的其他色光的吸收率都高于蓝光。

太阳光照射到海面后,除了约35%被反射外,其余的均被海水吸收。在洁净的大洋水中,红光透过5米水层后被吸收20%,透过10米水层后被吸收99.5%,透射率仅0.5%;而蓝光透过60米水层后才有80%被吸收。透过140~150米水层后大约99%被吸收。照射到海面的阳光,在海洋表面1米的水层中大约有60%被吸收,透过10米水层后有80%被吸收,能透射到10米以下水层的光主要是蓝绿光。在洁净的大洋水中,蓝绿光的穿透深度可达数百米,至800米的水层还能发现极其微弱的蓝绿光,1000米水层只有依靠仪器才能记录到光的存在,1000米以下的水层则基本上是一片黑暗,只有用非常灵敏的仪器才能测到缕缕微光。

根据海水中的光照以及动植物的分布,可将大洋水垂直划分为3个不同的区:

洋面区,也称优光区,其分布水深通常在0~200米范围内,该水层中有一定的光线透过,浮游植物、浮游动物、鱼类等海洋生物在这里生活。洋面区的上层可以为浮游植物的生长提供足够光照,该水层也被称为光亮带。

中层区,也称弱光区,其分布水深约200~1,000米,海水中仅有极其微弱的光线透过,因而浮游植物已不能生存,水层中只有鱼类、虾以及头足类等动物。

深层区,也称无光区,分布水深通常在1,000米以下。其中,1,000~4,000米的水层也称海洋曙光区,只有用非常灵敏的仪器才能测到缕缕微光;4,000~6,000米水层为深渊区,6,000米以下水层为洋底区,这两个区均为完全黑暗的无光地带。

海水传播声音的能力比空气强。声音在空气中的传播速度大约为340米/秒,而在海水中的传播速度大约为1,500米/秒,传播速度比空气快4倍。声音在海水中的传播距离也要比空气中远得多,美国哥伦比亚大学的调查船“维玛”号于1960年所记录到的最大传播距离为1.2万海里,折合为2万千米。

声音在海水中的传播速度与海水的盐度、温度、水深(压力)有关。据研究,海水的含盐量每增加1‰,声音的传播速度就增加1.4米/秒;温度每增高1℃,传播速度就增加3.1米/秒;深度每增加10米,声音的传播速度就增加0.2米/秒。

《中华人民共和国海水水质标准》于1982年8月1日起开始实施。按照海水用途的不同将海水水质分为3类:第一类适用于进行海洋生物资源保护、建立海上自然保护区以及人类的安全利用;第二类适用于建立海水浴场和风景游览区;第三类适用于一般工业用水、港口水域和海洋开发作业区等。

北极海域由于水温低,海水密度大,加之海水在大量结冰的过程中还会释出一部分盐,使海水的盐度增高,密度进一步增大,由此而形成的高密度海水将不断地下沉。当其沉降至海底后,还会沿着海底斜坡向更深处缓慢流动,最终可抵达水深更深的低纬度海域的海底,并逐渐取代该区域原有的底层水。由于该现象在极地海域长年累月不间断地进行着,久而久之就形成了全球各大洋中的深层与底层几乎全都被冷水团所占据,其上层为密度相对较低的水层,上层与深层之间存在密度跃层这样一种稳定的分布格局。

海冰是咸水冰还是淡水冰海冰是海洋中各种类型冰的总称,包括海水冰与淡水冰两大类。淡水冰主要是大陆冰川断裂后进入海洋或者陆地河川流入海洋时冻结而形成的;海水冰则是海水在临界冻结温度下冻结形成的。海水冰也是由淡水冰晶构成的,不同之处是在冻结过程中冰晶之间还存留有少量的浓盐水,因而海水冰的密度(比重)要比淡水冰大些,并且其密度还与其含盐量有关。新冻结的海水冰密度一般为0.85~0.94,盐度通常在3~25之间。冻结时的温度越低,结冰速度越快,海水冰的含盐量越高。海水在冻结过程中总要释出一些盐分,因而其含盐量总是低于结冰时海水的盐度。初期海水冰中浓盐水的比例占2%~10%,但由于浓盐水的比重大,随着时间的推移,冰晶间的浓盐水会因重力作用而逐渐向下沉降,最终可渗出冰外。冰龄越长含盐越少。通常冰龄在1年以上的海水冰,盐水大部分都可以释出冰外,因含盐量很低,融化后甚至可以直接饮用。

南极冰盖和陆架冰川

整个南极大陆几乎都覆盖着一层厚厚的冰盖,南极大陆的平均海拔高度为2,300米,而冰盖的平均厚度竟达2,200米,冰盖的最厚处超过5,000米。南极大陆总面积1,410万平方千米,大约只有65万平方千米夏季无冰雪,不足南极大陆总面积的5.4%。此外,南极大陆周围还存在着广阔的陆架冰川。仅著名的罗斯陆架冰川面积就接近60万平方千米,超过法国的国土面积。南极陆架冰川漂浮于海面上,厚度约2~50米。

南极冰川全世界的恒冰约有95%分布在南极,储藏量大约为3500万立方千米,占全世界淡水总资源的90%以上。

格陵兰冰川

格陵兰冰川面积约165万平方千米,大约占全岛面积的90%,冰层的最大厚度1,860米,边缘厚度约45米,平均厚度300米,储冰量约54万立方千米。

海上冰山有人推算,假如覆盖南极的冰盖与陆架冰川和覆盖格陵兰的冰川全部融化,则全球的海平面有可能升高100米。但是,由于冰层融化后该地区陆地的负荷减轻,而海洋海底的负荷增大,有可能导致陆地升高而海底下降,因此海平面的上升幅度可能要比上述值略小些。

海洋中的冰山是由南极的大陆冰盖、陆架冰川或者格陵兰等地的大陆冰川边缘断裂后漂浮于海上而形成的。这种冰山主要是由淡水冰构成,其厚度一般都在数十米至数百米。而由海水冻结的海水冰,其厚度一般不超过3米。

全球每年大约可形成1.2~1.5万个冰山。但是却没有人能够准确地统计出全球的冰山数量,以及其数量是在增加还是在减少。因为新的冰山每时每刻都在不断地形成,而旧的冰山也在漂浮中逐渐崩裂、消融。全球气候变暖可导致冰山形成的数量增加,但也将加速冰山的消融,究竟可使冰山的数量增多还是减少,短期内南极冰山还难以作出定论。有报道说,南极海域漂浮的冰山数量大约有22万个,但这个数字是否准确却是难以核实的。

海洋中的冰山能漂浮多久,很难一概而论。这不仅要看其体积的大小,还要看其周围环境温度的高低。根据目前所掌握的资料,海洋冰山一般都可以存在2年之久。

南北两半球的冰山有什么不同南北两半球海洋冰山由于成因不同,外形也明显不同。南半球的冰山大多是由大陆冰盖边缘或陆架冰川边缘断裂而形成的,而北半球的冰山大多是由大陆冰川的断块形成的。由于南极地区气候严寒,冰川边缘不常断裂,因而形成的冰山体积一般都比较大,而且顶部平坦,被称为平顶冰山。平顶冰山约有90%的体积浸没于海水中,只有大约10%的体积漂露在海面上,其水下高度一般为水上高度的6倍左右。北半球的冰山大部分是从格陵兰等陆地冰川边缘分离而成的,体积相对较小,冰山的形状大多为不规则的锥形,被称为锥形冰山。锥形冰山的水下高度一般只有水上高度的2倍左右,虽然其体积较小,但露出海面的部分的高度有时比平顶冰山还要高。南半球已发现的最大冰山长约350千米,宽96千米,水上高度90米;而北半球已发现的最大冰山长仅10千米,宽5千米,水上高度却超过100米。

海洋冰山能作为人类的淡水资源吗这个问题到目前为止还是个备受争议的议题。有人认为是可行的,而有人则认为是不可行的。该问题一直是在支持与反对中徘徊着,因为它不仅仅涉及资源的归属问题,还因为其运输途中存在诸多不易解决的技术难题。例如,从南极到澳大利亚的距离就有6,000余千米,到中东则长达2万千米,轮船的拖运能力、运输途中冰山会融化或消耗多少、沿途船只和钻探平台等障碍物如何规避、运输途中冰山融化会对沿途海域的环境造成什么影响,等等,至今还难以作出比较有说服力的定论。因而直至如今仍然是议论者多而试验者少。