海洋学导论-.ppt

,第一章绪论第二章地球系统与海底科学第三章海水的物理特性和世界大洋的层化结构第四章海水的化学组成和特性第五章海洋环流第六章海洋中的波动现象第七章潮汐第八章大气与海洋第九章海洋生物第十章海洋中的声、光传播及其应用第十一章卫星海洋遥感第十二章中国近海的区域海洋学,海洋科学导论,（基本要求了解海水化学组成基本知识、海气界面的气体交换模式、海洋营养元素的存在形式及其循环的主要过程；理解海水总碱度、碳酸碱度、溶解氧补偿深度、元素逗留时间等概念；掌握海水CO2系统控制pH的原理、海洋中营养盐的分布与变化的一般规律。）,第四章海水的化学组成和特性,3.5学时）,4.1海水的化学组成（P110）,海水是一种非常复杂的多组分水溶液，其主要组成见图4-1。海水中各种元素都以一定的物理化学形态存在。无机物主要以络合物，离子形式存在见表4-1。,海水中的溶解有机物十分复杂，主要是它与金属能形成稳定络合物。,,1学时）,海水的成分分类（P110）①主要成分海水中浓度1mg/kg的成分（提示教材中110-6mg/kg有误）NaKCa2Mg2Sr2Cl-SO4-Br-HCO3-CO32-F-H3BO3占盐份总量的99.9上述这些成分在海水中的含量较大，各成分的浓度比例近似恒定，生物活动和总盐度的变化对其影响都不大，所包含的13种元素称为保守元素。“Si”元素非保守元素②溶于海水中的气体成分如氧、氮及稀有气体等③营养元素（营养盐、生源要素）主要是与海洋植物生长有关的元素，通常是指N，P及Si等。④微量元素海水中含量很低，但又不属于营养元素者。⑤海水中的有机物质氨基酸、腐植质、叶绿素等。,4.1.1海水的主要成分（p112）,一、性质与溶存形式,※计算公式,当海水中某元素的含量不随时间改变，则该元素输入海水的速率应当等于从海水中输出的速率，,处于稳定状态,元素的逗留时间等于元素输出速率常数的倒数P114,海水中一些元素的逗留时间列于表4-2中P114,例题（1）海洋中水分子的逗留时间海洋的平均深度为4000m，全球河流的径流量折算为海洋水位是13cm/a，所以TH2O4000/0.133104（年）。,海水的总体积和径流量计算，即TH2Ｏ1.41021/（4.61016）≈3104（年）,表4-2海水中一些元素的逗留时间,4.1.2微量元素P115,微量元素海水中浓度等于或低于1㎎／㎏的元素。除海水常量元素、营养元素、溶解气体外，其余通称为海水微量元素。微量元素在海水参与络合、氧化还原平衡、生物吸收、颗粒物的吸附与解吸等。,一、微量元素在海水中的存在形式,分为以下几种类型1）弱酸根，如；2）自由离子，如；3）有机和无机络合物如；4）生物合成的有机物；5）有机及无机颗粒物。Stumm（1975）把海水中的微量金属元素按照粒子大小分为七种形式见图4-3。,二、海水的氧化还原电位,海水的氧化还原电位,是控制金属污染物溶存形式的主要因素之一。用于定量分析重金属在海水中氧化还原转化。当海水是一个氧化还原的平衡体系，相对电对氧化－还原平衡的半电池反应为aoxne→ared电极电位可以表示为,,定义pE-logae，pE可以表示氧化还原能力的强弱。pE低，电子活度大，还原能力强，25℃时pEEh/0.059，pE0Eh0/0.059。电化学方法可测Eh。通气良好的海水Eh约为0.4V,4.1.3海水中的放射性同位素（P118）,海洋的放射性来源于天然放射性核素和人工放射性核素。,放射性核的衰变的方式一个不稳定的原子核自发衰变为另一个原子核，同时放出射线，这种现象称为放射性衰变。天然放射性元素核衰变的主要类型为α衰变，β衰变及同核异能跃迁（γ衰变）。1．α衰变不稳定核自发地放出α粒子，而变成另一种核，称为α衰变。α粒子是氦素（），它由两个中子、两个质子组成，带两个正电荷，质量是4.0026原子质量单位。放射性核在α衰变后，它的质量数减少4，原子序数减少2。若以X代表衰变前母核，衰变后子核用Y表示，则α衰变可写成以下形式实例经过α衰变，生成表示式可写为,同一种核放出的α粒子能量是一定的。有的核放出单一能量的α射线，有的核素放出几种不同能量的α射线。当它不只放出一种能量的α射线时，往往伴随有γ射线放出。例如，镭的α衰变及氡的能级图。,从上图可见镭放射出两种能量的α射线，一种是4.784兆电子伏的α1粒子占95，形成的基态。放出的另一种α2粒子能量为4.601兆电子伏占5，衰变后子核氡处于激发态。处于激发状态的氡原子核不稳定，自发地回到的基态，同时放出0.186兆电子伏的γ光子。这种由于处于激发态的原子核不稳定，自发地回到核的基态的现象称为γ跃迁。一般α衰变时，伴随放出的γ射线的能量不大，概率也较小。,2.β衰变不稳定的核自发地放出β粒子及中微子（ν），变成另一原子核，成为β衰变。β衰变相当于母核中的一个中子转化为质子，使中子、质子数目之比发生了新变化，达到了新的平衡。,β粒子实际上就是电子，它的静止质量等于电子质量，带有一个负电荷。β衰变的母核与子核的质量数相同，子核的原子序数增加1，即如,β衰变时放出的能量被衰变后的子核、β粒子和中微子共同带走。这三种粒子的发射方向的角度是任意的，所以带走的能量不固定。由于子核质量远远大于β粒子和中微子，相比之下，它带走的动能可以忽略不计，因而β衰变释放能量在β粒子和中微子之间分配。实验测得β粒子的能量是从零至最大值的连续能谱。与α衰变时伴随放出的γ射线相比较，β衰变放出的γ射线强度要大得多。天然放射性元素放出的主要γ射线几乎都是伴随β衰变产生的。,3．同核异能跃迁γ衰变有许多放射性核，在发生α衰变以后，生成的子核不是处于基态而是处于激发态，由激发态过渡到基态的半衰期大于0.1秒，我们把这种衰变类型称之为同核异能跃迁或称作γ衰变。从上述定义可以看出同核异能跃迁（γ衰变）前后，母核与子核的原子序数、质量数都没有改变，只是核的能量不同，再者是母核与子核的半衰期不同。,其中β1-1.176兆电子伏（6.5）β2-0.514兆电子伏（93.5）γ-0.662兆电子伏,在此需要注意的是激发态的原子核回到基态时，除发生同核异能跃迁外，还可以发射内转换电子，不放出γ射线。原子核从高能级跃迁到低能级时，多余能量使K层或L层、M层电子脱离轨道，成为单一能量的内转电子。在发生内转换时，原子失去一个内层电子，这种状态也是不稳定的，外层电子就会自动充填内层电子空位。由于外层电子能量高，内层电子能量低，外层电子充填内层电子空位时，多余能量以特征X射线放出。此时放出的射线叫X射线。,天然放射系--4n2系,天然放射系--4n3系,人工放射系--4n1系,天然放射系----4n系,4.1.4海洋化学污染物P120,联合国专家组（1982）把海洋污染定义为直接或间接由人类向大洋和河口排放的各种废物或废热，引起对人类生存环境和健康的危害，或者危及海洋生命（如鱼类）的现象。,一、废弃物的本质人类把物质或能量引入海洋，引起生物资源损害、人类健康危害、海洋活动妨碍等影响的现象。污染物包括㈠石油类㈡毒性较大的重金属㈢有机氯农药等合成有机物㈣引发赤潮的NO3-、PO4-营养物㈤放射性核素,二、废弃物处理的方法最好的方法是减少废弃物的数量，废弃物再生利用，一些有机废弃物作为能源烧掉，对于多氯联苯（PCB）这类难分解的有机物，采用焚烧是最好的方法。,三、海洋化学污染物,,（一）碳氢化合物主要是指石油。碳氢化合物污染主要发生在从石油产地到炼油厂和石油消费地之间海上运输过程中的泄漏和海上事故。,,图4-4表示世界上主要的海上石油运输路线。从图中可以看到，美国、日本和西欧国家对中东石油的依赖。每年大约有（510）106t石油流入大海。其中2/3是在运输途中泄漏的，1/3是由河流把炼油厂的废油和其他工业废水中的碳氢混合物带入大海的。,图4-5海上溢油的分解过程（Spears，1974）,图4-5表明了海上溢油的分解过程。其中较轻的组分挥发了；水溶性组分溶于海水；最重要部分不溶性残渣乳化为小球，最终沉入海底或冲到海岸，被缓慢分解或者掩埋掉。溢油的危害取决于生物的种类和溢油的地区。,2010年7月16日，大连新港原油输油管道爆炸起火。事故至少已造成附近海域50平方公里的海面污染，海上清污工作17日全面展开。国家海洋局海上溢油应急处置前线指挥部20日发布的情况通报表明，大连部分海滩受到大连新港输油管道爆炸事故泄漏原油的污染。,2000年珠江口海域溢油现状,最近40年全球严重石油泄漏事件,2010年美国石油钻井平台起火爆炸致7人重伤11人死亡。钻井平台爆炸沉没约两天，受损油井开始漏油。2007年11月装载4700吨重油的俄罗斯油轮“伏尔加石油139”号在刻赤海峡遭遇狂风，解体沉没，3000多吨重油泄漏，致出事海域遭严重污染。2002年11月利比里亚籍油轮“威望”号在西班牙西北部海域解体沉没，至少6.3万吨重油泄漏。法国、西班牙及葡萄牙共计数千公里海岸受污染，数万只海鸟死亡。1999年12月马耳他籍油轮“埃里卡”号在法国西北部海域遭遇风暴，断裂沉没，泄漏1万多吨重油，沿海400公里区域受到污染。1996年2月利比里亚油轮“海上女王”号在英国西部威尔士圣安角附近触礁，14.7万吨原油泄漏，超过2.5万只水鸟致死。,1992年12月希腊油轮“爱琴海”号在西班牙西北部拉科鲁尼亚港附近触礁搁浅，后在狂风巨浪冲击下断为两截，至少6万多吨原油泄漏，污染加利西亚沿岸200公里区域。1991年1月海湾战争期间，伊拉克军队撤出科威特前点燃科威特境内油井，多达100万吨石油泄漏，污染沙特阿拉伯西北部沿海500公里区域。1989年3月美国埃克森公司“瓦尔德斯”号油轮在阿拉斯加州威廉王子湾搁浅，泄漏5万吨原油。沿海1300公里区域受到污染，当地鲑鱼和鲱鱼近于灭绝，数十家企业破产或濒临倒闭。这是美国历史上最严重的海洋污染事故。1979年6月墨西哥湾一处油井发生爆炸，100万吨石油流入墨西哥湾，产生大面积浮油。1978年3月利比里亚油轮“阿莫科加的斯”号在法国西部布列塔尼附近海域沉没，23万吨原油泄漏，沿海400公里区域受到污染。1967年3月利比里亚油轮“托雷峡谷”号在英国锡利群岛附近海域沉没，12万吨原油倾入大海，浮油漂至法国海岸。,（二）海洋中的重金属它们对于海洋环境有极大的危害，其中毒性较大的是汞、铅、镉、铬、铜等元素。海水本身含有一定量的重金属，但是本底值均很低。有些微量金属还是生物生长必须的，不会造成环境污染。但是人类的工业生产、交通运输、日常生活污水排放等输入大量重金属，却能造成严重的海洋污染。,进入海洋的重金属，一般要经过物理、化学及生物等迁移转化过程。♦重金属污染物在海洋中的物理迁移过程主要是指海－气界面重金属的交换及在海流、波浪、潮汐的作用下，随海水的运动而经历的稀释、扩散过程。由于这些作用的能量极大，故能将重金属迁移到很远的地方。,♦重金属污染物在海洋中的生物过程主要是指海洋生物通过吸附、吸收或摄食而将重金属富集在体内外，并随生物的运动而产生水平和垂直方向的迁移，或经由浮游植物、浮游动物、鱼类等食物链网而逐级放大，致使鱼类等高营养阶的生物体内富集着较高浓度的重金属，或危害生物本身，或由于人类取食而损害人体健康。此外，海洋中的微生物能将某些重金属转化为毒性更强的化合物，如无机汞在微生物作用下能转化为毒性更强的甲基汞。,♦重金属污染物在海洋中的化学过程主要是指重金属元素在富氧和缺氧条件下发生电子得失的氧化还原反应，及其化学价态、活性及毒性等变化过程。重金属在海水中能与无机和有机配位体作用生成络合物，使重金属在海水中的溶解度增大。已经进入底质的重金属在此过程中可能重新进入水体，造成二次污染,（三）合成有机化合物（含农药等）每年人类生产和使用70000多种化合物，每年还研制出1000种新化合物。大多数进入海洋的有毒化合物是属于DDT（滴滴涕）和PCB（多氯联苯）一类。这些含有卤素的碳氢化合物与自然界的石油等碳氢化合物不同，它们不能被细菌或简单的化学反应所分解，所以一旦排放入海，它们将在海洋中滞留很长时间。被生物吸收之后，由于它们的脂溶性，很难从生物体排除，致使在食物链中逐渐被富集。,海水被污染,（四）营养物质（富营养化）海水中有硝酸盐、磷酸盐等营养盐，这是海洋生物生长所必需的，一般海水中的磷酸盐常常会成为藻类生长的限制因子。现在人们大量使用的洗衣粉等合成洗涤剂中有很高的磷酸盐含量。当有大量生活污水排放大海时，往往造成部分海区的富营养化，一些藻类迅速生长，使其他生物大片死亡，形成“水华”，爆发赤潮。赤潮会严重破坏生态平衡，,2000年渤海、黄海、东海、南海赤潮面积,一种物质入海后，是否成为污染物，因物质的性质、数量（或浓度）、时间和海洋环境特征而异。有些物质，入海量少，对海洋生物的生长有利；量大，则有害。如城市生活污水中所含的氮、磷，工业污水中所含的铜、锌等元素就是如此。一种污染物入海后，经过一系列物理、化学、生物和地质过程，其存在形态、浓度、在时间和空间上的分布，乃至对生物的毒性将发生较大的变化。如无机汞入海后，若被转化为有机汞，毒性显著增强；但若有较高浓度硒元素或含硫氨基酸存在时，毒性会降低。有些化学性质较稳定的污染物，当排入海中的数量少时，其影响不易被察觉，但由于这些污染物不易分解，能较长时间地滞留和积累，一旦造成不良的影响则不易消除。但在实际环境中，往往有多种化学污染物他是同时存在，因此，把两种或两种以上化学污染物共同作用所产生的综合生物效应，称为联合作用。根据生物效应的差异，多种化学污染物的联合作用通常分为下面四种类型,海洋污染物的监测包括水质监测、底质监测、大气监测和生物监测等,都可分为沿岸近海监测和远洋监测。前者因海域污染较重且复杂多变，设立的监测站密，各站项目齐全且每月至少监测一次；后者主要测定那些扩散范围广和因海上倾废和因事故泄入海洋的污染物质，通常设站较稀，监测次数较少。利用生物个体、种群或群落对污染物的反应也可以判断海洋环境污染情况的。,据2009年中国海洋环境质量公报称，2009年，我国海域未达到清洁海域水质标准的面积为146980平方公里，比上年增加7.3。严重污染海域主要分布在渤海湾、辽东湾、长江口、杭州湾、珠江口和部分大中城市近岸局部水域。局部海域沉积物受到重金属和石油类污染，部分贝类体内污染物残留水平依然较高。河流携带入海的污染物总量较上年有较大增长。73.7的入海排污口超标排放污染物，部分排污口邻近海域环境污染呈加重趋势。海洋垃圾数量总体处于较低水平。全年发现赤潮68次，累计面积约14100平方公里。,4.2海水中的CO2系统,,a.工业革命以来大气CO2含量的变化,b.1958-1976年间CO2浓度的变化，黑点为夏威夷，为南极，近20年增加了20ppm。（Thurman，1997）图4-6,,,,,,,,海水中溶解的无机碳的主要形式为、、和。溶解可以与大气中的进行交换，起着调节大气浓度的作用.,1学时）,4.2.1海水的pH（P123）,海水的二氧化碳系统是维持海水有恒定酸度的重要原因，这是由于在海水中存在下列平衡这个平衡过程控制着海水的pH，使海水具有缓冲溶液的特性。,,,,,,,,,一般，海水表层未饱和，深层浓度增大（除光合使之减少，呼吸使之增大外，还随压力增加而增大）。利用14C放射性衰变来研究气体交换速率。海水中的二氧化碳含量约为2.2mmol/kg。的各种形式随pH变化的见下图４－7。海水的pH等于8.1，以形式为主；其次是；而含量很低。,一、pH标度H浓度标度;H活度标度。在25℃时,图4-7海水CO2各种形式随pＨ的变化（孙秉一，1991）,二、pＨ实用标度P125,根据现有的pH标准液（pHs）对比未知溶液的pH,,,三、影响海水pＨ的因素◆主要是CO2系统的组成。缓冲能力最大的海水的pH一般在7.58.2的范围变化，主要取决于二氧化碳的平衡。◆在温度、压力、盐度的影响下，海水的pH主要取决于各种离解形式的比值。,4.2.2海水的缓冲容量（P126）,,,,指使海水pH变化一个单位所加酸或碱的量，如BdCb/dpH，是缓冲能力的定量表示（碱量对pH变化率）。主要受系统控制，还与有关。,4.2.3海水的总碱度、碳酸碱度和总二氧化碳P126,一、海水总碱度海水的总碱度AT，主要是由于碳酸根离子、碳酸氢根负离子和硼酸根离子决定。定义碱度的依据为海水是电中性的，可以用滴定的方法测定（下标T表示滴定）。碱度定义---用以中和弱酸负离子所需氢离子的物质量除以海水的体积，符号记为A，单位是mol/dm3。总碱度可以分为三部分碳酸盐碱度（CA）、硼酸盐碱度（BA）和过剩碱度（SA）。,,,,,,,,,,,,,二、海水的碳酸碱度P127碳酸盐碱度CA是和对碱度的贡献即,总溶解无机碳是所有溶解形式的碳浓度总和，这里的和项应当是总平衡态浓度，包括与钙、钠、镁等形成离子对的浓度。在大洋海水的酸度下，只有小于1的碳是以存在的，而又只是的0.2。,需要指出，碱度是指碳酸根和碳酸氢根浓度之和。它不是pH的度量，也不是海水碱性的度量。因此海水的酸碱度是随DIC的变化而变化。,三、海水的总二氧化碳,海水对的吸收有三个因素①是海水的静态容量，即达到平衡后海水中的含量增加多少，这是热力学平衡问题；②是动力学问题，即大气－海洋之间交换速度有多快，这取决于的交换速率；③是海水铅直混合速率。,由于工业和交通的发展，燃料燃烧后排放到大气中的二氧化碳不断增加。例如夏威夷的冒纳罗亚观测站的观测结果说明空气中二氧化碳平均含量，每年大约以0.68ppm的速度增长。大气中的二氧化碳含量增加，这已经成了一个全球关注的重大问题。在、丰富的表层海域，投加Fe盐可加快藻类增殖，吸收大气增加的部分。,,,,,海水二氧化碳系统的研究工作，虽然在18世纪就已经开始,但直到1915年,K.布赫才首次研究海水二氧化碳系统中各种成分之间的平衡理论。20世纪30年代初，根据国际海洋考察理事会ICES的建议，由K.布赫、H.W.哈维、H.瓦滕贝格和S.格里彭贝格组成的专业小组，测定了不同温度和不同盐度下碳酸的第一级和第二级表观解离常数。50年代以后，各国学者分别测定此解离常数。由于测定的方法和所依据的标准不同，所得的结果就不一致。为此，J.M.吉斯克于1978年在“海洋表和标准”联合专家小组JPOTS的会议上,建议对测定标准和有关常数进行统一。,4.3海气界面的气体交换,4.3.1海水中的溶解气体P128,,,表层海水溶有充足的。深层海水也不缺，因表层富水被深海环流带到深层。溶解参与海水中的生物和化学过程，而、Ar等不参与，称为保守气体。,,,因为海水表面与大气接触，把大气中某些成份在海洋和大气之间不断进行交换，存在着动态平衡。有的气体可以被海洋吸收，如，而有的气体只能由海洋向大气输送，如CO；只有充分掌握海气交换的机理、交换速率等才有可能正确了解气体在地球上的循环过程。,0.4学时）,二、大气成分在海水中的溶解度大气成份在海水中的溶解度主要取决于气体的性质、气体的分压、海水的温度和盐度。,,,标准压力下，指定气体的溶解度是温度（℃）和盐度的函数。常用的在海水中的溶解度,4.3.2气体在海气界面的交换P130,气体在大气与海洋之间的交换，取决于气体在这两者间的分压差，气体的交换系数与海面状况等因素有关。,一、气体交换的模式,海气交换的模式可以用图4－8说明。气相分压PG′液相分压PG，由气入液；PG′大洋；太平、印度大西；高纬低纬；深层水表层水。例如磷酸盐，大洋表层水中0.51.0，而深层水。但植物繁盛期，沿岸、河口水中会低至；污水排入会富营养化。,,图4-13大洋2000m深处磷的分布，等值线间隔为0.2510-6mol/dm3（据Broecker，1974）,,二、铅直分布P138,,图4-14世界大洋中硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐的铅直分布（Sverdrup，1942）,图4-14是世界大洋硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐的铅直分布,硅酸盐的季节变化有其特点在海洋浮游植物繁盛季节，尽管溶解硅被大量消耗，但其在海水中的含量仍保持一定水平，而不象N、P那样可降低至分析零值（图4-18）。,,图4-18英吉利海峡海水硅酸盐含量的季节变化（Sverdrup，1942）,4.4.3海洋中氮、磷、硅的循环（P140,一、海洋中的氮循环（P141海洋不同形式的氮化合物，在海洋生物，特别是某些特殊微生物的作用下，经历着一系列复杂的转化过程，如图4-19。,,图4-19海洋中氮的转化（Sverdrup，1942）,二、海洋中的磷循环（P141,图４-20是海洋中磷循环的示意图，图中左边是大西洋一个测站（2112′N，1225′W）的位温和磷酸盐含量的铅直剖面图，右边表示海洋中磷循环中控制磷分布的几个主要过程,三、海洋中硅的循环（P142海洋中硅的循环过程为◆春季，因浮游植物繁殖使海水中的硅被消耗；◆夏、秋季，植物生长缓慢硅有一定回升；◆冬季，生物死亡，其残体缓慢下沉，随着深层回升压力增加，利于颗粒硅再,释放出部分溶解硅。,,图4-21海洋中硅的循环（Sverdrup，1942）,指海水中所含的大量化学物质。地球表面海水的总储量为13.18亿㎞3，占地球总水量的97％。海水中含有大量盐类，平均每公里3海水中含3500万吨无机盐类物质，其中含量较高的有氯（1900万吨/公里3）、钠（1050万吨/公里3）、镁（135万吨/公里3）、硫（88.5万吨/公里3）、钙（40万吨/公里3）、钾（38万吨/公里3）、溴（6.5万吨/公里3）、碳（2.8万吨/公里3）、锶（0.8万吨/公里3）和硼（0.46万吨/公里3），以及锂、铷、磷、碘、钡、铟、锌、铁、铅、铝等。它们大都呈化合物状态存在，如氯化钠、氯化镁、硫酸钙等，其中氯化钠约占海洋盐类总重量（约5亿亿吨）的80％。海水化学资源开发利用的历史悠久，主要包括海水制盐及卤水综合利用（回收镁化合物等），海水制镁和制溴，从海水中提取铀、钾、碘，以及海水淡化等。此外，20世纪60年代以来，随科学技术的进步，海洋天然有机物质的研究和利用（如从海洋动植物中提取天然有机生理活性物质），也得到了迅速发展。,4.5海洋的化学资源（P142）,0.1学时）,选自海洋化学手册,