《海洋科学导论》第十二章 海洋中声和光

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,D.Zhao,OUC,*,第十二章 海洋中的声和光,D.Zhao,OUC,1,海洋声学,海洋声学是研究声波在海洋中的传播规律和利用声波探测海洋的科学,声波在水中的传播性能,最好,主要内容,声在海洋中的传播规律和海洋条件对声传播的影响。,利用声波探测海洋。,海洋声学技术和仪器,D.Zhao,OUC,2,海洋声学,1826,年，在日内瓦湖第一次测定水中声速,第一次大战期间，,4000,多艘舰船被德国潜艇击沉，开始研究深水探测,1914,年，朗之万、康斯坦丁制成了静电式发射器和碳粒微音接收器,1918,年采用这一装置测到海底和,200m,深甲板上的回波。,用石英晶体做成压电式发射器和接收器，并采用真空管放大器，制成第一台回声定位仪，简称为声呐,(sonar: sound navigation and ranging),D.Zhao,OUC,3,研究发现声呐的作用距离与海洋水文要素、波浪、海流、内波、海底地质地貌、海洋环境噪声和海中浮游生物等有密切关系,1950,年之后，逐渐成为一门新兴科学,研究意义,水下目标探测,水下通讯,利用声波（超声波）的海洋,仪器,：流速剖面测量仪,ADCP,、单点三维流速脉动测量仪,ADV,测定水下声响反推海面状况：风、波浪及其破碎,利用声波在海底的不同反射特性，探测海底底质：软泥、沙质、岩石等,利用声波研究海洋内部温度、内波特性,D.Zhao,OUC,4,声波在海水中的传播性能最好,在含有盐、气泡和浮游生物的海水中，光波和电磁波的衰减都非常大,迄今为止，在水下目标探测、通讯、导航等方面均以声波作为唯一有效的辐射能,声呐（,sonar,）是应海战需要而发展起来的水下目标探测设备,D.Zhao,OUC,5,关于声波,声波频率,：声源每秒振动次数，单位赫兹,(Hz),。,人耳可听到的最高频率为,20KHz,，该频率以上的声波称为超声波；可听到的最低频率为,20Hz,，低于此的称为次声波。,声线,：波长与介质的不均匀尺度相比可忽略，以射线方法定性描述声波传播轨迹。基于折射定律。,折射、反射定律：声线总是向声速小的方向弯曲。,D.Zhao,OUC,6,声波知识,声波是弹性波，,在弹性介质中传播，是纵波。,水中声速为,1500m/s,，空气中为,330m/s,。,声波能够在所有物质（除真空外）中传播。,传播速度由传声介质的某些物理性质，主要是力学性质所决定。,通常，固体介质中声速最大，液体介质中的声速较小，气体介质中的声速最小。,单一频率声波的速度为相速度；有一定频率宽度声波的速度为群速度,海水为非频散介质，可认为相速度和群速度相同,s,为绝热压缩系数,D.Zhao,OUC,7,声波在水中传播的速度,声速随,温度、盐度和压力的增大而增大,与温度关系,：随温度升高而增大，温度升高,1,C,，声速的变化是原来的,0.35%,与盐度关系,：随盐度增加而增大，盐度增加,1,，声速值增加,1.14m/s,。,与压力关系,：静压力增加，声速值增加。海水深度变化,100m,，声速增量为,1.75m/s,。,温度对海水中声速的影响最显著，其次是压力，通常盐度的变化多忽略。,P,的单位为大气压，,1,个大气压相当于,10m,水深,D.Zhao,OUC,8,海洋中的声波,声波的传播随海区、季节、白昼和深度而变化,赤道海区声波速度大？还是两极海区？,海水的声吸收,：将声能变为不可逆的海水分子内能。,若海面平静如镜，则海面是理想的声反射面，反射后仅有相位的变化而没有能量损失,当海面上存在波浪、气泡和浮游生物时，海面既是声的反射界面又是声的散射体,海底是海洋的一个声反射和散射界面，同时还会被吸收一部分，声波经过海底不仅有纵波也产生横波,D.Zhao,OUC,9,声速与温度、盐度和深度的关系,精确计算海洋中的声速非常重要,D.Zhao,OUC,10,D.Zhao,OUC,11,海水中声速的铅直分布,主温跃层上方：声速随深度增加而减小,反波导型,：声线弯向海底，由于海底对声波的吸收和散射，经海底反射回来的声能减弱，声传播距离受到限制。,存在声波的阴影区,D.Zhao,OUC,12,海水中声波传播,夏季浅海的“午后效应”,声呐在早晨效果好，而夏季午后效能变坏，称之为“午后效应”,原因：太阳照射，表层温度升高，形成温度梯度，造成声波的反射，部分声波能量弯曲入射到海底,D.Zhao,OUC,13,海水中声速的铅直分布,主温跃层下方：声速随深度增加而增大,波导型,：声线向上弯曲，在海面或某层反射向前传播，不存在海底的吸收和散射，声能传播距离远。,D.Zhao,OUC,14,声波在海洋中的传播,为何夏季无风情况下，声波传播条件最差？,为何冬季声能传播比夏季远得多,？,夏季的上混合层和冬季上混合层对声速传播会产生不同的影响，前者不利于声波的传播，而后者有利于声波的传播（？）,原因：夏季混合层的温度随深度增加徐缓下降，形成反波导，而冬季混合层的温度随深度增加而徐缓增大,黄海冷水团附近有利于声波的水平传播吗？,D.Zhao,OUC,15,深海水下声道,声的超远距离传播称为声道现象,在主温跃层附近，声速存在极小值,若将声源置于该处，从声源向各个方向辐射的声线束向声速极小值所在的水层弯曲，声速极小值上下的水层有类似透镜聚焦作用，将声能的大部分限制在此水层间,称声速极小值所在的深度为声道轴,在大西洋的中纬度地区，声道轴约在,1260m,附近；在太平洋中纬度地区，声道轴约在,900m,在极地海域，声道轴上升到冰层以下的水面附近,Munk,等利用声速在声道轴的变化，测定全球变暖使,100m,深处的温度上升,0.004,C/a,D.Zhao,OUC,16,表面声道,风浪的搅拌，使表层海水形成,等温层，其中,的静压力，使声速随深度的增加而略有增加,。,等温层,内自声源出发的声线总是弯曲向上，经海面反射而向前传播，也可以传播到较远的地方，称为表面声道,。,在大陆架海区，声道轴约在水下,60-100m,附近，称之为表面声道,表面声道不稳定，由于海面波浪和气泡引起散射，传播距离不及水下声道,潜艇的航行要避开声道区域！,D.Zhao,OUC,17,声波的吸收,声波传播的强度衰减（传播损失）原因：,扩展损失（几何衰减）,：声波波阵面在传播过程中不断扩展引起的声强衰减。,吸收损失,：均匀介质的粘滞性、热传导性以及驰豫过程引起的声强衰减。,散射,：介质的不均匀性引起声波散射和声强衰减。包括：海洋中泥沙、气泡、浮游生物等悬浮粒子以及介质本身不均匀性和海水界面对声波散射。,D.Zhao,OUC,18,与淡水相比，海水的超吸收现象,海水超吸收原因：,在声波作用下，海水中的,MgSO,4,化学反应的平衡被破坏，达到新的动态平衡，这种化学的驰豫过程，导致声波的吸收,D.Zhao,OUC,19,海洋中的声音,海洋环境声源包括：,海浪飞溅形成的噪音,风与海浪表面相互作用产生的噪声,击岸浪发出的声音,雨滴噪声,海洋湍流,生物噪声,海水分子热运动所辐射的噪声,航船噪声和沿岸工业噪声,地震扰动形成的低频声波,冰层破裂产生的噪声,火山爆发,风暴引起的噪声,D.Zhao,OUC,20,海洋光学,海洋光学是研究海洋的光学性质、光在海洋中的传播规律和运用光学技术探测海洋的科学,D.Zhao,OUC,21,海洋光学发展史,在,19,世纪初，有人用透明度盘目测自然光在海中的铅直衰减,20,世纪,30,年代，瑞典等国的科学家设计制造了测定海水的线性衰减系数、体积散射系数和光辐射场分布的海洋光学仪器，进行了一系列现场测量。,1947,1948,年，瑞典科学家在环球深海调查中（“信天翁”号），首次将海洋光学调查列入重要的海洋调查计划，测量了辐照度、衰减和散射等；,1950,1952,年，丹麦人在环球深海调查中，致力研究了重要海区的初级生产力和光辐照之间的关系；,1957,1958,年，美国,R.W.,普赖森多费尔提出了比较系统的海洋光学理论，发展了海洋辐射传递理论,D.Zhao,OUC,22,海洋光学的研究方法,实验研究：,运用现场试验和实验室的测量方法进行海洋光学性质的研究。可见光波段是能透入海中的电磁波的主要波段，其传播规律决定于海洋水体的散射和吸收等性质。海洋光学调查是研究区域海洋光学性质的主要手段。,理论研究：,海洋辐射传递理论是海洋光学的主要理论基础，从辐射传递方程出发，主要运用随机模拟方法和蒙特卡罗法，建立各种辐射传递模型。,D.Zhao,OUC,23,海洋光学的研究内容,海面光辐射研究：,研究日光射入海洋后，经过辐射传递过程所产生的、由海洋表层向上的光谱辐射场。它是光学遥感探测海洋的主要信息来源，是建立光学海洋遥感模型的重要依据,海面向上的光谱辐射和,海水的水质密切相关，,它决定了海水的颜色,D.Zhao,OUC,24,海洋光学的研究内容,水中能见度：,研究水中的视程和图象在水中的传输问题,海洋水体的光学传播,研究海洋水体对光的散射和吸收的过程。,D.Zhao,OUC,25,海水的光学特性,海水对光的吸收,光能量在水中损失的过程就是吸收,吸收具有选择性,长波优先, “,蓝色窗口”,.,吸收与海水浑浊度有关,混浊度大, “,窗口”向长波转移,射到海面的日光中,的,红外辐射，大部分被水深,1,米以内的表层所吸收，在水下测得的太阳光谱的峰值正好处于对海水有最大透射率的蓝绿光附近，甚至在水深,600,米处还能用光电法测到,D.Zhao,OUC,26,海水的光学特性,海水对光的散射,光通过,不均匀媒质时，部分,光将,偏离原来方向而分散传播，从侧向也可以看到光的现象，叫做光的散射,分子散射，即瑞利散射：大洋水通常为分子散射,辐射波长比散射粒子的尺寸大得多。,散射能力与波长的四次方成反比，散射光线在光线前进和反方向上的强度相同，与入射光垂直方向的强度最小,为什么天空是蓝色？,为什么中午时太阳为白色？日出或日落时却是红黄色？,在月球上，白天的天空是什么颜色？,D.Zhao,OUC,27,海水的光学特性,粒子散射，即梅氏散射，,由德国物理学家古斯塔夫,梅于,1908,年提出,当散射粒子的尺寸与辐射波长相当或大于时,，,发生粒子散射，大部分光线会沿着前进的方向散射,粒子散射与波长无关，而且光散射后的性质不变,近岸混浊水多为粒子散射,海水对光的衰减,：吸收和散射,D.Zhao,OUC,28,为什么是白云？,透明度和水色,海色,：直接观察看到的海水颜色。包含反射、散射等从海面映射出来的色彩，与太阳高度、天空状况、海底等有关。,为什么,乌云密布时，海色阴沉，晴空万里时，海色蔚蓝,？,D.Zhao,OUC,29,海水的颜色,大洋水有利于波长为,0.40.5,m,的光通过，悬浮颗粒少，粒径小，分子散射起着主要的作用，所以海水呈深蓝色。,近海水中含有较多的无机的和有机的悬浮物质，发生粒子散射，散射系数与波长无关。同时，近岸水中不同种类的溶解物质，具有不同的光谱吸收和散射特征。因此，近海海色呈蓝绿色甚至黄褐色,D.Zhao,OUC,30,海水的水色,透明度,：将直径,30cm,的白色圆盘垂直沉入海水中，直到刚看不见为止的深度。,水色,：在背光处，将透明度盘提升至透明度一半深度处，俯视透明度盘之上的水柱颜色。即最大限度地减少反射光的成分而从海面正上方所看到的海水颜色，由海水的光学性质决定,。,一般用水色计,1,号,(,浅蓝色,),至,21,号,(,棕色,),表示,。,水色与海色的分布一般一致,浅海透明度小，水色低；远洋透明度大，水色高。,低纬透明度大，水色高；高纬透明度小，水色低。,水色分布通常与海流方向一致。,D.Zhao,OUC,31,海面对光的反射,海面的反射与入射角有关，反射系数随入射角增大,由于海上风的作用，海面变得高低不平，通常用均方波陡来表征,利用阳光直射时测量反射光的图像，可以反推均方波陡，可反演海上风和波浪,D.Zhao,OUC,32,海洋光学的应用,海洋光学与物理海洋学的研究密切相关。测定海水的光学性质，为研究海流、上升流、海洋锋、水团、海洋细微结构等提供了另一种有效的手段,海洋生物初级生产力的研究和调查，与海中辐照度的分布、海水辐射能密度分布、海中辐射能的贮存等有直接的关系，例如辐照度为海洋初级生产力方程的主要参数,辐照度：辐射通量与面积之比。分为向下和向上辐照度,D.Zhao,OUC,33,海色卫星遥感,在海色遥感研究中，海水划分为,类水域和,类水域：前者以浮游植物及其伴生物为主，海水呈现深蓝色，大洋属于这一类。后者含有较高的悬浮物、叶绿素和,DOM,以及各种营养物质，海水往往呈现蓝绿色甚至黄褐色,。,中国,近海就是典型的,类水域。,利用可见光来反演海水中叶绿素浓度，进而得到海洋中的初级生产力,海洋碳通量和固碳能力,海洋生态环境监测：赤潮,河口海岸带泥沙输运,D.Zhao,OUC,34,光与海洋生物,万物生长靠太阳,生物对光的吸收和散射,生物发光：受激发光，自然发光,海洋的神秘现象,生物对光的利用：光合作用,D.Zhao,OUC,35,第十二章 回顾,声波传播速度与海水温度、盐度和压力的关系,海面和海底，哪一个更容易吸收声波？,波导型和反波导型的划分及与海洋跃层的关系,海水中声道现象，深水声道和表面声道,解释声呐的夏季“午后效应”,夏季和冬季、白天和夜间，哪个有利于声波传播,黄海冷水团附近有利于声波传播吗？,光的分子散射和粒子散射特点，为何天空是蓝色，而云是白色？,大洋和近岸水对光的吸收特征，蓝色窗口,为何大洋水呈蓝色，而近岸水会呈黄褐色？,海水透明度和水色如何观测,D.Zhao,OUC,36,