海洋科学

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葡萄牙航海家麦哲伦
英国海洋探险家库克

  海洋科学汉语拼音:Haiyang Kexue;英语:Marine Sciences; Ocean Sciences),研究海洋的自然现象、性质、变化规律以及与开发利用海洋有关的知识体系。研究对象是占地球表面积71%的海洋,其中包括海水、溶解和悬浮于海水中的物质、生活于海洋中的生物、海底沉积和海底岩石圈以及海面上的大气边界层和河口海岸带。

  海洋科学是地球科学的重要组成部分,与物理学化学生物学地质学以及大气科学水文科学等密切相关。海洋科学的研究领域十分广泛,其主要内容包括对于海洋中的物理、化学、生物和地质过程的基础研究,面向海洋资源开发利用以及海上军事活动等的应用研究。由于海洋本身的整体性、海洋中各种自然过程相互作用的复杂性和主要研究方法、手段的共同性而统一起来,使海洋科学成为一门综合性很强的科学

  海洋科学又是一门正在迅速发展的科学。近半个多世纪以来,特别是20世纪60年代以后,随着现代科学技术的迅速发展以及海洋资源开发利用规模的不断扩大,海洋科学在社会经济发展中的作用日益显著,许多国家都非常重视海洋科学的基础研究和开发利用海洋资源的技术研究,并且取得很大的进步。

研究对象

  在太阳系行星中,地球处于“得天独厚”的位置。地球的大小和质量、地球与太阳的距离、地球的绕日运行轨道以及自转周期等因素相互作用和良好配合,使得地球表面大部分区域的平均温度适中(约15℃),以致它的表面同时存在着三种状态(液态固态气态)的水,而且地球上的水绝大部分是以液态海水的形式汇聚于海洋之中,形成一个全球规模的含盐水体——世界大洋。地球是太阳系中唯一拥有海洋的星球。因此,地球又称为“水球”。

  全球海洋总面积约3.6亿平方千米,约占地表总面积的71%,相当于陆地面积的2.5倍。全球海洋的平均深度约3,800米,最大深度11,034米,太平洋大西洋印度洋的主体部分,平均深度都超过4,000米。全球海洋的容积约为13.7亿立方千米,相当于地球总水量的97%以上。假设地球的地壳是一个平坦光滑的球面,那么地球便成为一个表面被2,600多米深的海水所覆盖的“水球”。世界海洋每年约有50.5万立方千米的海水被蒸发,向大气供应87.5%的水汽。每年从陆地上被蒸发的淡水仅有7.2万立方千米,约占大气中水汽总量的12.5%。从海洋或陆地蒸发的水汽上升凝结后,又作为雨或雪降落在海洋和陆地上。陆地上每年约有4.7万立方千米的水在重力作用下,或沿地面注入河流,或渗入土壤形成地下水,最终注入海洋,从而构成了地球上周而复始的水文循环。

  海水是一种含有多种溶解盐类的水溶液。在海水中,水占96.5%左右,其余则主要是各种的溶解盐类和矿物,还有来自大气中的氧、二氧化碳和氮等溶解气体。世界海洋的平均含盐量约为3.5%,而世界大洋的总盐量约为48×1015吨。假若将全球海水里的盐分全部提炼出来,均匀地铺在地球表面上,便会形成厚约40米的盐层。在海水中已发现的化学元素超出80种。组成海水的化学元素,除了构成水的氢和氧以外,绝大部分呈离子状态,主要有氯、钠、镁、硫、钙、钾、溴、碳、锶、硼、氟等11种,它们占海水中全部溶解元素含量的99%;其余的元素含量甚微,称为海水微量元素。溶解于海水中的氧、二氧化碳等气体,以及磷、氮、硅等营养盐元素,对海洋生物的生存极为重要。海水中的溶解物质不仅影响着海水的物理化学特征,而且也为海洋生物提供了营养物质和生态环境。海洋对于生命具有特别重要的意义。海水中主要元素的含量和组成,与许多低等生物的体液几乎一致,而一些陆地高等动物甚至人的血清所含的元素成分也与海水类似。研究证明,地球上的生命起源于海洋,而且绝大多数动物的门类生活在海洋中。在陆地上,生物集中栖息在地表上下数十米的范围内;可是在海洋中,生物栖息范围可深达1万米。因此,研究生命起源的学者把海洋称作“生命的摇篮”。

  海洋作为地球水圈的重要组成部分,同大气圈岩石圈以及生物圈相互依存,相互作用,成为控制地球表面的环境和生命特征的一个基本环节,并具有下面一些特征:

  1.海洋是大气–海洋系统的重要组成部分。由于水具有很高的热容量,因此世界海洋是大气中水汽和热量的重要来源,并参与整个地表物质和能量平衡过程,成为地球上太阳辐射能的巨大的储存器。在同一纬度上,由于海陆反射率的固有差异,海面单位面积所吸收的太阳辐射能约比陆地多25%~50%。因此,全球大洋表层海水的年平均温度要比全球陆地上的平均温度约高10℃。由于太阳辐射能在地球表面上分布的固有差异,赤道附近的水温显著地高于高纬度海区。因此,在海洋中导致暖流从赤道流向高纬度、寒流从高纬度流向赤道的大尺度循环,从而引起能量重新分布,使得赤道地区和两极的气候不致过分悬殊。海面在吸收太阳辐射能的同时,还有蒸发过程。海水的汽化热很高,蒸发时便消耗大量热量。反之,在水汽受冷凝结时又会释放出相同的热量。因此,海水的蒸发既是物质状态的转化,也是能量状态的转化。海面蒸发产生的大量水汽,可被大气环流及其他局部空气运动携带至数千千米以外,重新凝结成雨雪降落到所有大陆的表面,成为地球表面淡水的源泉,从而参与地表的水文循环,参与整个地表的物质和能量平衡过程。由此可见,海洋对全球天气和气候的形成,以至地球表面形态的塑造都有深远的影响。

  全球尺度的海洋–大气相互作用,不仅可以在几个月、几年内对地球上气候带来影响,而且可以在漫长的地质时期中导致显著的气候变异。地球表面的水,除海水以外,约有2%被束缚在固体水(冰)中,这也就是今天的南极洲格陵兰冰川。海洋–大气相互作用和气候演变,可以通过海平面的高度和冰川体积的变化显示出来。地质学研究表明,在地球最近所经历的10亿年中,地球表面的水量是近似恒定的,由此可以推知,假若现代冰川全部融化,则海平面将升高约60米。这对于人类无疑将是一场巨大的灾难。事实上,在地质时期中,曾出现过大陆冰川发展和融化的多次交替,每次交替都影响地球的气候、大气环流和水文循环,引起生物的大调整。据地质学和古地理学的考察,在第四纪最大的冰期中,冰川的体积3倍于现代冰川,海平面则平均低于现代海平面约130米,露出了大部分大陆架。基于这些观测事实,目前对地球气候长期变异过程已建立多种“冰川–海洋–大气”系统的相互作用模型,并从数值上模拟出接近观测事实的结果。这种模拟结果大体同根据更新世地质、古地理资料复原的气候演变相符。

  2.海洋是地球表面有机界与无机界相互转化的一个重要环节。地球上存在着一个很薄的“生物圈”,它集中在地球表面三种形态的水的交界面附近。地球上这个有生命的物质圈层之所以能够产生、进化并延续下去,是依靠大规模的物质和能量转化以及有机物质和无机物质的相互转化。而这些物质和能量的循环与转化过程的方式和强度,在迄今已知的星球中也是独一无二的。否则,人们赖以生存的地球将如同已知没有发现生命现象的星球一样,只能是一个死寂的世界。

  海洋中的动物约16万~20万种,植物约1万多种。海洋中的生物,如同整个生物圈中的生物一样,绝大多数直接地或间接地依赖于光合作用而生存。在地球上,植物的光合作用能将无机物直接转化为有机物,从而将太阳辐射能转化为化学能。动物是不进行光合作用的,基本上依赖于消耗植物(直接或间接)而生存繁衍。假若植物的光合作用过程一旦中止,则绝大多数的动物就有灭绝的可能。这样,由海洋光合植物、食植性动物和食肉性动物逐级依赖和制约,组成了海洋食物链。在这链的每一个环节,都有物质和能量的转化,包括真菌细菌对动植物尸体的分解作用,把有机物转化为无机物。于是,由植物、动物、细菌、真菌以及与之有关的非生命环境组成一个将有机界与无机界联系起来的系统,即通常所说的海洋生态系。这个系统的状态,通常可用两类指标来描述:一类是静态指标,如生物量等;另一类是动态指标,如生产力等。根据有的学者估算,海洋的总生物量约为3×1010吨,只有陆地总生物量的1/200左右,如按干重计算则仅相当于陆地总生物量的1/350。但是,就生产率而论,海洋却同陆地大体相当(海洋为4.3×1011吨/年,陆地为4.5×1011吨/年);更值得注意的是,海洋有机物质的相对生产率(即生产力与生物量之比值)远高于陆地,两者之比相差200多倍。这是因为海洋中有机物质的生产者主要是单细胞生物,而陆地上有机物质的生产者主要是多细胞生物。

  3.海洋作为一个物理系统,其中发生着各种不同类型和不同尺度的海水运动和过程、对于海洋中的生物、化学和地质过程有着显著的影响。海水运动按其成因,大致分为:

  • 海水密度变化产生的“热盐”运动,如海面蒸发、冷却和结冰,以及海水混合等,使海水密度增大而下沉,并下沉至与其密度相同的等密度面或海底作水平运动;
  • 海面风应力驱动形成的风生运动,如风海流和风生环流等;
  • 天体引力作用产生的潮汐运动;
  • 海水运动速度切变产生的湍流运动;
  • 各种扰动产生的波动,如风浪、惯性波和行星波等。

  而海洋中的各种物理过程,通常除了按其物理本质分为力学热学声学光学电磁学等过程以外,一般按其特征空间尺度(或特征波数,主要是水平特征空间尺度或波数)和特征时间尺度(或特征频率),大致分为小尺度过程、中尺度过程和大尺度过程。其中,小尺度过程主要包括:小尺度各向同性湍流,海水层结的细微结构、声波、表面张力波、表面重力波和重力内波;中尺度过程主要包括:惯性波、潮波、海洋锋、中尺度涡或行星波;大尺度过程主要包括:海况的季节变化、大洋环流、海水层结的纬向不均匀性和热–盐环流等。

  海洋是生物的生存环境,海洋运动等物理过程会导致生物环境的改变。因此,不同的流系、水团具有不同的生物区系和不同的生物群落。海水运动或波动是海洋中的溶解物质、悬浮物和海底沉积物搬运的重要动力因素,因此,海洋中化学元素的分布和海洋沉积,以及海岸地貌的塑造过程都是不能脱离海洋动力环境的。反过来,海水的运动状况也与特定的地理环境、化学环境有关。这就是海洋自然环境的统一性的具体表现。

  4.大洋地壳作为全球地壳的一个结构单元,具有不同于大陆地壳的一系列特点。陆壳较轻、较厚,比较古老;洋壳较重、较薄(缺失花岗岩层),相对年轻。在地壳的均衡作用下,陆壳质轻而浮起,洋壳质重而深陷。地球之所以存在着如此深广的海洋,是与洋壳的物质组成有关的。

  由于海水的覆盖,海底地壳是难以直接观察的。近半个世纪以来,深海考察发现了海洋中有深度超过万米的海沟,长达上千千米的断裂带以及众多的海山;而给人印象最深的是存在着一条环绕全球、纵贯大洋盆地、延伸达80,000千米的水下山脉体系。这条水下山脉纵贯大西洋和印度洋的洋盆中部,所以称为大洋中脊。在大洋中脊顶部发育有一条被断裂带错开的纵向的大裂谷,称为中央裂谷。

  与大陆地壳相比较,大洋地壳缺乏陆上那种挤压性的褶皱山系。巨大的大洋中脊主要由来自炽热的地球深处的玄武岩所组成。观测和研究表明,大洋中脊的裂谷是地壳最薄弱之处。这里有频繁的地震火山活动和极高的热流值,地球内部炽热的熔岩通过这个带不断涌上来,冷却后凝结成新的洋底地壳,并向两侧扩张,扩张速度可达每年1~16厘米。这种扩张过程迄今仍在继续。这条全球性的大洋中脊和裂谷系以及海沟等构造活动带把全球岩石圈分成六大板块(欧亚板块非洲板块印澳板块南极板块美洲板块太平洋板块)和许多小板块。板块是位于地球软流层上的刚性块体,板块的边界是构造运动最活跃的地方,而板块之间的相对运动则是全球构造运动的基本原因。

  在板块的分离、漂移和聚合作用下,海陆位置不断变动。在地质历史上,大陆曾反复裂离和聚合,大洋则屡经张开和关闭。2亿年前,地球上只有一个超级大陆和超级大洋,当时还没有大西洋和印度洋。近2亿年来,大西洋和印度洋从无到有,从小到大,而太平洋却在不断地收缩。在一个表面积基本不变的地球上,一些大洋的张开必然伴随着另一些大洋的缩小或关闭。海洋是个非常古老的地质体,海水的年龄可以远溯至前寒武纪。但大洋地壳是一边生长、一边俯冲,处于不断更新的过程。现代洋壳的年龄不到2亿年。古老的海水与年青的洋底共存,应当说是海洋系统的一个重要特点。

  20世纪70年代以来,海洋学者乘坐潜水器考察大洋中脊和裂谷,发现从裂谷底喷涌出温度高达100℃以上、富含金属的海底热泉。原来,冷海水沿裂隙渗入炽热的新生洋壳内部,变成热海水,热海水和洋壳玄武岩之间发生强烈的化学反应。玄武岩中的铁、锰、铜、锌等被淋滤出来进入热海水,从而喷出富含金属的热泉。由河流带入海洋中的镁、硫酸根,在上述过程中也大部分被中脊轴部的洋壳所吸收。据估计,沿着80,000千米长的大洋中脊只需800万~1,000万年,与世界海洋等量的海水就可以经过脊轴洋壳循环一遍。这对于海水化学成分的演化,不能不产生十分深远的影响。

  总之,海洋中发生的各种自然过程,在不同程度上同大气圈、岩石圈和生物圈都有耦合关系,并且同全球构造运动以及某些天文因素(如太阳黑子活动、日–地距离、月–地距离、太阳和月球的起潮力等)密切相关,这些自然过程本身也相互制约,彼此间通过各种形式的物质和能量循环结合在一起,构成一个具有全球规模的、多层次的海洋自然系统。正是这样一个系统,决定着海洋中各种过程的存在条件,制约着它们的发展方向。海洋科学研究的目的,就在于通过观察、实验、比较、分析、综合、归纳、演绎以及科学抽象方法,揭示这个系统的结构和功能,认识海洋中各种自然现象和过程的发展规律,并利用这些规律为人类服务。

研究特点

  世界海洋中所发生的各种自然现象和过程具有自身的特点,海洋科学研究也相应地表现出某些特征。

  1.在自然条件下对海洋中各种现象进行直接观测是其基本研究方法。世界海洋是一个庞大而又复杂的自然客体,其中发生着各种尺度不一、性质不同的运动。它们的空间尺度可以从几厘米到几千千米,时间尺度从数秒到几个月甚至几年,深层环流的时间尺度可长达数千年。影响海洋气候状态的一些天文因素,如地球轨道参数随时间变化的尺度可达1万年至10万年的量级,至于大洋海盆形态变化的时间尺度,则长达几百万年至几千万年。这些不同尺度的运动现象之间存在着复杂的作用。由于质量运动连续性原理,海水的垂直运动总是和水平运动共存的,即使是同一种运动,也可以由不同的力学原因而引起。海洋科学还具有明显的区域性特征,即使是同一区域,海洋、水文、化学要素及生物分布也是互相各异、多层次性的。因此,很难在实验室里对各类海洋现象和过程以及它们之间的相互作用进行精细的实验,也不能只靠数学分析和数学模拟来进行研究。而是要充分利用科学调查船等设备在自然条件下进行观察研究。直接的观察研究,既为实验室研究和数学研究的模式提供确切的可靠资料,又可以验证实验室和数学方法研究结论的可靠性。因此,在自然条件下进行长期的、周密的、系统的海洋考察是海洋科学研究的基本方法。

  2.在海洋科学研究中,海洋观测仪器和技术设备起着重要的作用,有时甚至是决定性的作用。海水深而广,具有大密度和流动性,给人们的直接观测带来极大困难。从海面向下大约每增加10米,压力就要增加一个大气压,在万米深处,海水的压力作用可以把潜水钢球的直径压缩进几个厘米,人类很难在这样大的深处活动;从技术角度来说,人在深海底行走比在月球上漫步还要困难。海水对电磁波的吸收也相当显著,在水深200米以下,可见光波被吸收殆尽。因此,靠简单的手段去观测海洋深层的生物活动、海底沉积和海底地壳的组成及变化是非常困难的。即使在海洋上层,海水处于不断的流动和波动状态,依靠一个点上的观测资料,也很难说明面上的情况。增加调查船只的数量固然可以扩大观测范围以取得大量必需的资料,但耗资巨大。因此,只有大力发展海洋观测仪器和技术设备才能取得所需要的大量海洋资料,以推动海洋科学的发展。20世纪60年代以来,海洋科学的发展表明,几乎所有主要的重大进展都和新装备的出现、新仪器的问世、新技术的应用、实验的精度以及数据处理能力的提高有紧密关系。例如,浮标观测技术航天遥感技术计算机技术的应用,促成了关于海洋环流结构、海–气相互作用、中尺度涡旋、锋区、上升流、内波和海洋表面现象等理论和数值模型的建立;高精度的温盐深探测设备和海洋声学探测技术的发展,则为海洋热盐细微结构的研究和海况监测提供了基本条件;回声测深、深海钻探、放射性同位素和古地磁的年龄测定、海底地震和地热测量等新技术的兴起和发展,对海底扩张说板块构造说的建立作出了重要贡献。

  3.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。海洋科学的观察主要是在自然条件下进行的,不能不受到自然条件的限制。各种海洋现象和过程,有的“时过境迁”,有的“浩瀚无际”,有的因时间尺度太长,短时间的观测资料不足以揭示其历史演变规律。加之,其中各种作用相互交叉、随机起伏,因此在自然条件下的观察只能获得关于海况的一些片断的、局部的信息。即使获得某一海区近百年的海况和海洋生物种群动态的观测序列,那也只是整个海洋生态环境和生物种群动态总体中的一个小小的样本。所以,在海洋科学研究中比较着重于从信息论、控制论和系统论的观点,研究海洋现象和过程的行为与动态,并根据已有的信息,通过系统功能模拟模型进行研究,对未来海况作出预测。

  4.海洋科学研究和科学理论呈现出日益增强的整体化趋势。如前所述,海洋中的各种现象和过程既表现出多样性,又存在统一性。随着海洋科学的发展,揭示出的海洋现象越来越多,因此学科的划分也就越来越细,研究领域也越来越广。但是各个学科往往过多地强调本学科的独立性、重要性,而忽视学科之间的内在联系。然而,近40年来对海洋现象和过程的深入研究发现,各分支学科之间是彼此依存、相互交叉、相互渗透的,而每一门分支学科只有在整个海洋科学体系的相互联系中才能得到重大发展,从而出现了现代海洋科学研究以及海洋科学理论体系的整体化趋势。这不仅打破了各分支学科的传统界限,而且突破了把研究对象先分割成个别部分,然后再综合起来的传统研究方法。要求从整体出发,从部分与整体、整体与外部环境的联系中,揭示整个系统的特征和发展规律。例如,研究海洋中沉积物的形态、性质及其演化,就必须了解海流、生物和化学等因素对沉积物的搬运及影响过程;研究海洋生态系的维持、发展或被破坏的过程,必须了解海洋中有关的物理过程、化学过程和地质过程。

学科体系

  现代海洋科学的研究体系,大体可以分为基础性学科研究和应用性技术研究两部分。基础性学科是直接以海洋的自然现象和过程为研究对象,探索其发展规律;应用性技术学科则是研究如何运用这些自然规律为人类服务。

  海洋中发生的自然过程,按照内秉属性,大体上可分为物理过程、化学过程、地质过程和生物过程四类,每一类又是由许多个别过程所组成的系统。对这四类过程的研究,相应地形成了海洋科学中相对独立的四个基础分支学科:海洋物理学海洋化学海洋地质学海洋生物学

  海洋物理学 是以物理学的理论、技术和方法研究发生于海洋中的各种物理现象及其变化规律的学科。主要包括物理海洋学海洋气象学海洋声学海洋光学海洋电磁学河口海岸带动力学等。主要研究海水的各类运动(如海流潮汐波浪内波行星波湍流和海水层的微结构等),海洋同大气圈和岩石圈的相互作用规律,海洋中声、光、电的现象和过程,以及研究有关海洋观测的各种物理学方法。

  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的学科。研究的内容主要是海洋水层和海底沉积以及海洋–大气边界层中的化学组成、物质的分布和转化,以及海洋水体、海洋生物体和海底沉积层中的化学资源开发利用中的化学问题等。海洋化学包括化学海洋学海洋资源化学等分支。

  海洋地质学 是研究地球被海水淹没部分的特征和变化规律的学科。主要研究内容为:海岸海底地形海洋沉积的组成和形成过程,大洋地层学洋底岩石的岩性、矿物和地球化学,海底地壳构造和大洋地质历史,海底的热流、重力异常、磁异常和地震波传播速度等地球物理特性。海洋地质学当前研究的重大课题是海底矿产资源的分布和成矿规律,大陆边缘(包括岛弧–海沟系)和大洋中脊为主的板块构造,以及古海洋学等。

  海洋生物学 是研究海洋中一切生命现象和过程及其规律的学科,主要研究海洋中生命的起源和演化,海洋生物的分类和分布、形态和生活史、生长和发育、生理和生化、遗传,特别是生态的研究,以阐明海洋生物的习性和特点与海洋环境之间的关系,揭示海洋中发生的各种生物学现象及其规律,为开发、利用和发展海洋生物资源服务。海洋生物学包括生物海洋学海洋生态学等分支学科。海洋生态学是生物海洋学中专门研究有机体的数量与周围无生命的环境之间以及各有机体之间的相互作用的科学。

  如同自然科学中的其他学科一样,海洋科学的各个基础分支学科不仅互相联系,互相依存,而且互相渗透,不断萌生出许多新的分支学科,如海洋地球化学海洋生物化学海洋生物地理学、古海洋学等。另一方面,海洋科学的研究,特别是在早期,具有明显的自然地理学方向,着重于从自然地理的地带性和区域性的角度研究海洋现象的区域组合和相互联系,以揭示区域特点、区域环境质量、区域差异和关系,形成了区域海洋学

  海洋科学的基础性分支学科的研究成果,是整个海洋科学的理论基础,对海洋资源的开发利用和海洋环境工程等生产实践起着指导作用。由于现代科学技术发展很快,海洋资源开发技术与日俱新,因此需要专门研究如何把基础理论研究成果应用到实践中去,解决生产技术问题。这样,在海洋科学研究中就逐渐分化出一系列技术性很强的应用学科和专业技术研究领域。如海洋工程,它始于为海岸带开发服务的海岸工程,即海岸防护、海涂围垦、海港建筑、河口治理等;到了20世纪后半期,世界人口和经济迅速增长,人类对蛋白质和能源的需求量也急剧增加,因此海洋工程除了包括人们熟知的海洋石油、天然气开采外,还包括深海采矿、经济生物的增养殖、海水淡化和综合利用、海洋能的开发利用、海洋水下工程、海洋空间开发等。海洋科学研究成果的应用,由于服务对象不同,还相应地形成一些相对独立的应用性学科,如海洋水文气象预报航海海洋学渔场海洋学军事海洋学等。

  随着海洋开发,尤其是海底石油开采事业的发展,向海洋排泄废弃物的增加等原因,海洋污染日趋严重,海洋环境保护的研究越来越受到人们的重视。从20世纪60年代以来,逐步形成一个新的分支学科——海洋环境科学

  以上是现代海洋学研究的学科分类及其体系结构的梗概。但是,如同其他自然科学研究一样,任何学科分类和体系都不是最终的封闭系统,随着对海洋研究的深化和扩展,海洋科学的学科分类和体系将不断地有所更新。

研究简史

  人类认识海洋的历史,是在沿海地区和海上从事生产活动开始的。古代人类已具有关于海洋的一些地理知识。但直到19世纪70年代,英国皇家学会组织的“挑战者”号完成首次环球海洋科学考察之后,海洋学才开始逐渐形成为一门独立的学科。20世纪50~60年代以后,海洋学获得大发展,形成为一门综合性很强的海洋科学。现在,有人认为海洋学是海洋科学的同义词,有人认为海洋学仅指海洋科学的基础性学科部分。纵观海洋科学的历史大致可以分为3个时期。

海洋知识积累时期

  这是海洋学萌芽时期,时间从古代到18世纪末。

  在科学不发达的古代,人们对海洋自然现象的认识和探索,主要依靠很不充分的观察和简单的逻辑推理。虽然当时只限于直观地、笼统地把握海洋的一些性质,但也提出了不少精彩的见解。例如,公元前7~前6世纪古希腊泰勒斯认为,水是万物之源,而大地则浮在浩瀚无际的海洋之中。前11~前6世纪中国的《诗经》中,已有江河“朝宗于海”的记载。前4世纪,古希腊思想家中知识最渊博并被誉为古代海洋学之父的亚里士多德在《动物志》中,已描述和记载170多种爱琴海的动物。公元1世纪,中国东汉王充曾科学地指出了潮汐运动和月球运行的对应关系。2世纪中叶,《托勒玫地图》绘有海洋。他指出大西洋印度洋地中海一样,是闭合的大洋,并认为地球东西两点彼此十分接近,如果向西航行,则可以抵达东端。这一观念在1,300多年后,启发了意大利航海家C.哥伦布的向西远航的设想。

  从15世纪到18世纪末,资本主义生产方式的兴起,自然科学和航海事业的发展,促进了海洋知识的积累。这时的海洋知识以远航探险等活动所记述的全球海陆分布和海洋自然地理概况为主。1405~1433年中国明朝郑和率领船队7次横渡印度洋;1492~1504年哥伦布4次横渡大西洋,并到达美洲;1519~1522年葡萄牙航海家F.de麦哲伦等完成了人类历史上第一次环球航行;1768~1779年英国J.库克在海洋探险中最早进行科学考察,取得了第一批关于大洋表层水温、海流和海深以及珊瑚礁等资料。这些活动和成果,不仅使人们弄清了地球的形状和地球上海陆分布的大体形势,而且直接推动了近代自然科学的发展,为海洋学和各个主要分支学科的形成奠定了基础。如1596年中国屠本畯写出地区性海产动物志《闽中海错疏》;1670年英国R.玻意耳研究海水含盐量和海水密度的变化关系,开创了海洋化学研究;1674年荷兰A.van列文虎克在荷兰海域最先发现原生动物;1686年英国E.哈雷系统研究主要风系与主要海流的关系;1687年,英国I.牛顿用引力定律解释潮汐,奠定了潮汐研究的科学基础;1740年瑞士D.伯努利提出一种潮汐静力学理论——平衡潮理论;1770年美国B.富兰克林制作并出版了墨西哥湾流图;1772年法国A.-L.拉瓦锡首先测定海水成分;1775年法国P.-S.拉普拉斯首创大洋潮汐动力学理论,等等。

海洋学建立时期

  从19世纪初到20世纪中,机器大工业的产生和发展,有力地促进了海洋学的建立和发展。

  英国科学家、生物进化论的创始人C.R.达尔文在1831~1836年随“贝格尔”号环球航行,对海洋生物、珊瑚礁进行了大量研究,于1842年出版《珊瑚礁的构造和分布》,提出了珊瑚礁成因的沉降说;于1859年出版《物种起源》,建立了生物进化理论。英国生物学家E.福布斯在19世纪40~50年代提出了海洋生物分布分带的概念,出版了第一幅海产生物分布图和海洋生态学的经典著作《欧洲海的自然史》。美国学者M.F.莫里为海洋学的建立作出了更为显著的贡献,在1855年出版的《海洋自然地理学》被誉为近代海洋学的第一本经典著作。1872~1876年,英国“挑战者”号考察被认为是现代海洋学研究的真正开始“挑战者”号在12万多千米航程中,作了多学科综合性的海洋观测,在海洋气象、海流、水温、海水化学成分、海洋生物和海底沉积物等方面取得大量成果,使海洋学从传统的自然地理学领域中分化出来,逐渐形成独立的学科。这次考察的另一个成果是激起了世界性海洋研究的热潮,很多国家相继开展大规模的海洋考察,建立临海实验室和海洋研究机构。1925~1927年德国“流星”号考察船在南大西洋的科学考察,第一次采用电子回声测深法,测得7万多个海洋深度数据等资料,揭示了大洋底部并不是平坦的,它像陆地地貌一样变化多端。同时,各基础分支学科(海洋物理学、海洋化学、海洋地质学和海洋生物学)的研究在大量科学考察资料的基础上,也取得显著进展,发现和证实了一些海洋自然规律。例如,海洋自然地理要素分布的地带性规律、海水化学组成恒定性规律、大洋风生漂流和热盐环流的形成规律、海陆分布和海底地貌结构的规律以及海洋动、植物区系分布规律等。这一时期的研究成果,由著名的海洋学家H.U.斯韦尔德鲁普M.W.约翰孙R.H.弗莱明合作写成的《海洋》(1942)作了全面而深刻的概括。它是海洋学建立的标志。

现代海洋科学时期

  第二次世界大战使人们认识到海洋知识的重要性,促进了海洋科学的发展。1957年海洋研究科学委员会(SCOR)和1960年政府间海洋学委员会(IOC)的成立,促进了海洋科学的迅速发展。美国的“的里雅斯特”号潜水器1960年曾深潜到10,916米的海洋深处,美国核潜艇“鹦鹉螺”号1958年从冰下穿越北极,表明海洋的任何部分都能为人类所征服。这个时期海洋科学的发展有如下几个基本特征:

  1.海洋科学研究,普遍地从传统的静态定性描述和简单的因果分析向着动态定量分析发展,重视基础理论、现场实验和功能模拟研究。海洋科学的各个分支学科,都力图将其研究对象的形态与本质、结构与功能、激励与响应、稳定与起伏等有机地结合起来,作为具有动态变化的统一体系来考察,从而揭示新现象、发展新概念、提出新方法和新理论。例如,从20世纪60年代至今,化学海洋学家对大气CO2的时间序列进行测定,证明了化石燃料燃烧和使用石灰石使CO2浓度升高,将对气候产生潜在的严重后果;利用海水中CO2–碳酸盐体系的14C海水的行为估算海水混合和环流时间。物理海洋学领域的进展有:对热带海洋与大气耦合的革命性认识和厄尔尼诺预测模型的发展;世界大洋的中尺度变率的全球分布和地转湍流的理论与模型;世界大洋环流实验的完成和环流路径及时间尺度的改进估计;小尺度海水混合强度和这种混合对内波场的强度及其他环境条件依赖的定量测量;中尺度变化是海洋中的天气过程,而环流可看作是海洋中的气候;认识到海洋–大气耦合系统是一个复杂反馈的系统。海洋地质与地球物理的成就主要表现在:板块构造理论的提出和完善,清晰地解释了地震火山喷发的分布;精确地预测了相关生物种属的分布和演化模式;预测了海洋循环的可能途径、控制海平面变化的海洋体积的演化趋势和由于洋脊和海沟处的流体循环所引起的海水化学性质的改变;在海底热泉喷口的化学合成地区,板块构造理论甚至有可能解释生命起源问题;沉积物岩心的深海记录可重建地球古气候,表明地球气候变化是以千年或更少的时间尺度完成的;利用海洋微体古生物的钙质壳和硅质壳研究岩心的生物地层分布,表明气候发生了突然的波动,生物从喜暖到喜冷再回复到喜暖变化速率非常快,不可能是由于板块漂移到不同的气候带中而引起,而是与气候相关的冰容积变化有关。

  2.海洋科学各分支学科之间、海洋科学和相邻基础科学之间的相互结合、相互渗透,逐步形成一系列跨学科高度综合性的研究课题。例如,海洋–大气相互作用和长期气候预报、海洋生态系统、海洋中的物质循环和转化、洋底构造以及有关海洋与地球的起源、海洋生命起源这样一些根本问题。促使海洋科学产生新的边缘学科、分支学科,而且呈现方兴未艾之势。潜水器在深达几千米的海底热液喷口处发现,在“沸水”里生存有约一英尺甚至更长的大型蛤类,超大尺寸的褐色蚌类和2~3米长的管状蠕虫,使生物海洋学在思维上经历了巨大的震撼:对这之前,认为所有形式的生命都要依赖光合作用的观点受到挑战。

  3.海洋调查方法向现代化和立体化方向发展。由于无人浮标站的应用可以取得全天候的连续资料,特别是海洋卫星遥感资料问世,开创了空间海洋学与海洋立体化调查。海洋立体观测系统是应用卫星、飞机、调查船、浮标、岸边测站、潜器、水下装置等作为观测平台,通过各种测量仪器和传输手段,实现资料的同步(或准同步)采集、适时传递和自动处理。海洋立体观测系统可以获取多参数完整的海洋资料,实现对海洋大面积、多层次监测,是人类深入了解海洋现象,掌握海洋时空变化规律的重要技术手段。

  4.海洋科学国际合作取得巨大进展。1950~1958年,美国斯克里普斯海洋研究所发起并主持了包括北太平洋在内的一系列调查,是联合调查的先声。随后1957~1958年国际地球物理年(IGY)、1959~1962年国际地球物理合作(IGC)的联合海洋考察,1959~1965年国际印度洋考察(IIOE);1963~1965年国际赤道大西洋合作调查(ICITA);1965~1972年黑潮及其毗邻海区合作调查(CSKC);1968~1983年深海钻探计划和1985年开始的大洋钻探计划,已经在全球大部分海域一千多个位置取得了海洋沉积物和地壳的岩心,并验证了如海底扩张说等一些重要的假说,得到了来自深海海底以下包括洋壳的组成和演化方面由其他方法无法获得的数据,并使得追溯直到1.8亿年前的更为详细的全球古海洋历史成为可能。1971~1980年国际海洋考察十年;1986~1992年中日黑潮合作调查。1990年之后,进行了世界大洋环流试验(WOCE);热带海洋与全球大气–热带西太平洋海气耦合响应试验(TOGA–COARE调查),旨在了解热带西太平洋“暖池区”通过海气耦合作用对全球气候变化的影响,进一步改进和完善全球海洋和大气系统模式。由美国等国家的大气和海洋科学家于1998年提出的高级地球物理研究观测卫星(ARGO)全球观测系统,旨在快速、准确、大范围收集全球海洋上层的海水温度、盐度剖面资料,从根本上解决目前天气预报中对海洋内部信息缺少了解的局面,以提高气候预报精度,防御和减少日益严重的气候灾害。随着全球国际合作的开展,为了有效使用海洋数据和资料,世界(海洋科学)资料中心相继建立,在数据传输和处理系统有飞跃的进展。