海洋物理学

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  海洋物理学汉语拼音:Haiyang Wulixue;英语:Marine Physics),以物理学的理论、技术和方法,研究海洋中的物理现象及其变化规律,并研究海洋水体与大气圈岩石圈生物圈的相互作用的科学。是海洋科学的一个重要分支,与大气科学海洋化学海洋地质学海洋生物学有密切的关系,在海洋运输、资源开发、环境保护、军事活动、海岸设施和海底工程等方面有重要的应用。

简史

  海洋物理学作为海洋科学的一个独立分支学科,始于19世纪末叶,但其下属一些分支的发展历史,却可追溯到自然地理学海洋学的萌芽时代。海洋物理学发展史,可概括为:

  1. 海洋考察。它从实践上为海洋物理学的发展奠定了基础。
  2. 早期的理论研究和观测仪器的研制。它为海洋物理学一些分支的发展奠定了基础。
  3. 近期的发展。即海洋物理学形成了独立的学科体系后的发展。

海洋考察

  早在公元前3世纪,希腊学者毕塞亚斯在北海考察中就初步进行了潮汐和地磁偏角的观测,但是专门的海洋考察则始自19世纪。其中较著名的有“闪电”号(1868)、“豪猪”号(1869~1870)等的海洋考察,特别是英国“挑战者”号考察(1872~1876)具有划时代意义的环球海洋考察。19世纪末至20世纪初,德国“羚羊”号对世界大洋的考察,法国“劳动者”号和“法宝”号对北大西洋的考察,美国“企业”号的环球考察,都涉及海洋物理学的内容。这些考察,从实践上为海洋物理学的早期发展奠定了基础。以后陆续出现许多专门的海洋考察活动,内容更加广泛和深入,例如德国“流星”号的南大西洋考察(1925~1927),美国“卡内基”号的地磁观测(1909~1929),瑞典“信天翁”号对三大洋赤道无风带的深海考察(1947~1948)等,不断促进海洋物理学的发展。

早期理论研究和观测仪器的研制

  从17世纪到19世纪末叶,一些杰出的物理学家和数学家曾对海洋中的某些物理现象进行过研究,为海洋物理学中一些分支的形成和发展奠定了理论基础。

  1. 潮汐理论。1687年,英国I.牛顿根据他发现的万有引力定律,用引潮力解释了潮汐的成因。1740年,瑞士D.伯努利建立了平衡潮学说。1775年,法国P.-S.拉普拉斯建立了潮汐动力学理论,给出了考虑地转偏向力影响的潮汐动力学方程组及在特定条件下的特解。1845年,英国G.B.艾里提出了潮汐的长渠波动理论,并对其进行了较深入的研究。1872~1879年,英国开尔文设计了潮汐分析和预报的机械装置。1878~1891年,英国G.H.达尔文研究了地球潮汐,并提出了海洋潮汐分析和预报的调和分析方法。
  2. 波浪理论。1802年,捷克F.J.格尔斯特纳发表了深水表面波的理论。1839年,英国G.格林建立了小振幅波理论,并导出了以波长表示的相速公式。1847年,英国G.G.斯托克斯建立了有限振幅波理论和小振幅内波理论;后来在1876年又提出了与波动能量传播有关的群速公式。
  3. 环流定理。1898年,挪威V.皮耶克尼斯推广了理想斜压流体的环流定理,发表了适用于旋转地球上的环流定理。
  4. 海水状态方程。1857年,英国开尔文首先导出了深海海水的绝热温度梯度公式。
  5. 海洋声学研究。1826年,瑞士D.科拉东和法国C.-F.斯图姆日内瓦测量了声在水中的传播速度。1912年,美国R.A.费森登设计并制造了一种新型的动圈换能器,从而制成第一台水下发信和回声探测设备。此后,又开始了声在海洋中的传播规律的研究。
  6. 海洋电磁理论。1831年,英国M.法拉第发现了电磁感应现象,并于1832年指出,在地磁场中流动的海水,就像在磁场中运动的金属导体一样,也会产生感应电动势。1851年,英国C.渥拉斯顿在横过英吉利海峡的海底电缆上,检测到与潮汐周期相同的电位变化,证实了法拉第的预言。

近期发展

  19世纪末叶到20世纪初,随着海洋调查的进一步发展,海洋物理学的研究进入了一个新的发展阶段。这一阶段的主要标志是,应用流体动力学的方法来研究海洋环流。例如,1902年,挪威J.W.桑德斯特勒姆B.海兰-汉森基于旋转地球上的环流定理,发展了在现代海洋环流研究和海洋调查中广泛应用的“动力计算”方法。1901年和1905年,瑞典V.W.埃克曼美国M.F.莫里在1855年指出的海面风和表层海流之间的关系,作出了理论解释,从而建立了风漂流理论。自此以后,海洋物理学的研究即以海洋环流理论研究为重点,密切结合水文物理和化学要素的观测实验,不断地向前发展。20世纪60年代以来,随着科学技术的迅速发展,海洋物理要素的调查监测技术和研究设备日益完善,各种海洋过程的理论模式和海洋信息处理系统相继建立,以浮标阵为主体的海上现场观测试验及包括航天遥感技术在内的新技术,得到广泛应用,都有力地促进了现代海洋物理学的研究和发展。

研究内容

  海洋物理学的主要研究内容是:

  1. 研究海水各类运动和海洋与大气及岩圈的相互作用的规律,为海况和天气的监测及预报提供依据;
  2. 研究海洋中的声、光、电现象和过程,以掌握其变化和机制;
  3. 进行为上述两项研究所必需的海洋观测,并研究海洋探测的各种物理学方法,从而实现有计划地在海上进行现场的专题观测和实验。

  通过这三方面的研究,形成了海洋物理学中一系列的分支学科。其中主要的有物理海洋学、海洋气象学、海洋声学、海洋光学、海洋电磁学和河口海岸带动力学等。

  物理海洋学 现代海洋物理学中最早发展起来的一个分支学科。以1942年H.U.斯韦尔德鲁普等的巨著《海洋》问世至1971年《物理海洋学》的创刊为标志。其研究内容最为广泛,因此,在许多海洋文献中,往往将“物理海洋学”一词作为“海洋物理学”的同义语使用。物理海洋学主要研究发生在海洋中的流体动力学热力学过程,其中包括海洋中的热量平衡和水量平衡,海水的温度、盐度和密度等海洋水文状态参数的分布和变化,海洋中各种类型和各种时空尺度的海水运动(如海流海浪潮汐内波风暴潮、海水层结的细微结构和湍流等)及其相互作用的规律等。

  海洋气象学 物理海洋学和气象学密切结合的一个边缘学科。它主要研究发生在海洋和大气边界层中的热量、动量和物质交换过程,海洋与大气的大、中尺度相互作用和中、长期的海况及气候变迁规律,海上天气过程和现象,特别是危险性天气过程(如海雾温带气旋热带风暴等)的预报。

  海洋声学 研究声波在海洋水层、沉积层海底岩层中的传播规律及在海洋探测和海洋开发中应用的学科。其主要研究内容包括海洋中声的传播和声速分布、声吸收和声散射、海洋中的自然噪声、海洋水层中的声学探测、海底声学特性和海底声学勘探等。

  海洋电磁学 主要研究海洋的电磁特性,海洋中的天然电磁场电磁波的运动形态及传播规律,电磁波在海洋探测和通信及海洋开发中的应用。

  海洋光学 在基础研究方面主要是海洋辐射传递过程的研究,以及海面光辐射、水中能见度(水中图像传输)、海水光学传递函数、激光与海水相互作用等研究;在应用研究方面主要是遥感、激光、水中照相工程等海洋探测方法和技术的研究。

  河口海岸带动力学 主要研究河口地带和海岸地带中海水的各种运动规律,河口海岸带地形地貌的变化及产生这些变化的动力因素。这些研究对海岸防护、港口建筑等都有密切的关系。

当前研究课题

  随着现代海洋资源开发和近岸海区海洋学研究的进一步发展,在海洋物理学的研究领域中,正在形成一些带有区域性的派生学科,如陆架物理海洋学等。海洋物理学的研究内容十分广泛,而当前的研究课题可以大致归纳为如下几个方面:

  1. 研究各种时空尺度的海水运动及其相互关系,特别是大、中尺度的海洋–大气相互作用及其时空变异,从而建立相应的热力学–流体力学模型,以提高气象预报与海况预报的准确率。
  2. 研究各种海洋物理要素场的形成机制及其频率–波数谱的结构,特别是海洋中的中尺度涡、内波、海水层结的细微结构和海洋湍流等。
  3. 研究全球大洋和各分区的水团和环流结构。
  4. 研究全球大洋各分区,特别是近岸海区和陆架区的水文物理特征。
  5. 研究声波、光辐射、无线电波、电磁场在海洋中的传播规律和声、光、电技术探测海洋(包括通信)的方法和技术。
  6. 研究与海洋资源开发、环境保护、航海、渔业和海洋工程等有直接关系的海洋物理学问题,为人类的海上生产实践服务。

展望

  为了开发海洋和利用海洋,使海洋更好地为人类服务,在海洋物理学的发展方面,下面几点将是人们努力的主要方向:

  1. 观测技术和观测方法的改进。海洋物理学的发展,在很大程度上取决于观测技术和观测方法。现代海洋物理学的观测技术,将朝着自动化、遥感化的方向发展。人们将广泛利用人造卫星进行全球性海洋物理方面的观测,并建立国际间的计算机网络,以储存、交换和处理海洋观测数据。这些将促进海洋物理学的进一步发展。
  2. 进一步研究海洋中物理现象的规律。海洋中发生的许多物理现象和过程,有一些已得到初步的研究。因为这些现象与人类生活环境密切相关,所以有必要进一步去探索其规律。例如,深入了解大尺度海–气相互作用,将使人们能较准确地进行气候预报,甚至可能控制局部地区的气候。
  3. 进一步为海洋资源开发服务。海洋开发将是未来海洋科学的发展方向。在海洋农牧化、捕捞、海洋石油勘探、海洋能源利用等开发活动中,将不断对海洋物理学提出更高的要求。海洋物理学今后的发展,也将在很大程度上取决于海洋开发的需要。