海洋物理学

海洋物理学

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和海洋学的萌芽时代。海洋物理学发展史，可概括为三个阶段：海洋考察；早期的理论研究和观测仪器的研制；现代海洋学。

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年）、“豪猪”号（1869～1870年）等的海洋考察。特别是英国“挑战者”号（1872～1876年）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，都涉及到海洋物理学的内容。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，美国“卡内基”号的地磁观测，瑞典“信天翁”号对三大洋赤道无风带的深海考察等，都从不同的方面促进了海洋物理学的发展。

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。

在潮汐理论方面。1687年，英国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，瑞士伯努利建立了平衡潮学说；1775年，法国拉普拉斯建立了潮汐动力学理沦，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，英国汤姆逊（开尔文）设计了潮汐分析和预报的机械装置；1878～1891年，英国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。

在波浪理论方面。1802年，捷克格尔斯特纳发表了深水表面波的理论；1839年，英国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。

1857年，英国汤姆逊（开尔文）首先导出了深海海水的绝热温度梯度公式；1898年，挪威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。

在海洋声学研究方面。1825年，瑞士科拉东和法国斯图谟在日内瓦测量了声在水中的传播速度；1912年，美国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。

在海洋电磁理论方面。1831年，英国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。

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，挪威桑德斯特勒姆和海兰·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，瑞典埃克曼对美国莫里在1855年指出的海面风和表层海流之间的关系，作出了理论的解释，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对测试验，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，沿着理论和观测实验紧密结合的途径向前发展。其研究的对象也发生了较大的变化。

海洋物理学的主要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；研究海洋中的声、光、电现象和过程，以掌握其变化和机制；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等。

物理海洋学是现代海洋物理学中最早发展起来的一个分支学科，其研究内容最为广泛。物理海洋学主要研究发生在海洋中的流体动力学和热力学过程，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等。

海洋气象学是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的预报。

海洋声学是研究声波在海洋水层、沉积层和海底岩层中的传播规律，及在海洋探测和海洋开发中的应用的学科，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、诲洋水层中的声学探测。海底声学特性和海底声学勘探等等。

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和电磁波的运动形态及传播规律，电磁学在海洋探测和通信及海洋开发中的应用。

海洋光学的研究内容，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、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。

此外，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等。

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。

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。

海洋电磁学主要研究海洋的电磁特性，海洋中的电磁场和电磁波的运动形态和规律，及其在海洋科学、海洋通讯和海洋开发中的应用的学科。

海洋中的各种盐类几乎完全解离，这使海水含有大量离子而成为导体。法拉第早在1832年就指出：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。他在泰晤士河做过实验，但没有得到预期的结果；但他指出，在英吉利海峡必定能测出。1851年，渥拉斯顿在横过英吉利海峡的海底电缆上，检测到和海水潮汐周期相同的电位变化，证实了法拉第的预言。由此开始了对海洋中的电磁现象的研究。

随着电磁波中的超长波用于对潜艇通讯，和极长波用于对大洋深处核潜艇通讯的要求，各国相继开始研究海水的电磁特性和电磁波在海洋中的传播规律。19世纪70年代以来，已经开始将电磁波中的极长波用于探测研究海底岩石圈的地质构造和探矿。海洋中的天然电磁场和海水在地磁场中运动时产生的感应电磁场，都会对水下通讯和地质探制造成干扰，这又促使人们对海洋中的天然磁场和感应电磁场进行更细致深入的研究。

电磁波在海水中传播时激起的传导电流，致使电磁波的能量急剧衰减，频率愈高，衰减愈快。由麦克斯韦方程组可得出：兆赫以上的电磁波在海水中的穿透深度小于25厘米，海水对这种电磁波就成为很强的屏蔽层；而频率低于10周／时的电磁波，在海水中的穿透深度可达5000米。这样，海洋就成为完全可穿透的了。这种极低频的电磁波，可用于陆地对大洋深处核潜艇通讯和海底地壳物理探矿，是海洋电磁学研究的一项主要内容。

海洋中主要的天然电磁场是地磁场，而占据地磁场99%以上的主磁场，几乎全部起因于地核。另外，地球大气电离层中发生的各种动力学过程，包括来自太阳的等离子流和地球磁圈及电离层的相互作用，不断产生频率范围很宽的电磁波。其中的周期为数分钟以上的，能够穿过海水而达到海底，再穿过海底沉积层，达到上地幔岩石圈甚至更深处。

海水和海底接触处的电化学过程，岩石中的渗透过程，及海水在岩石中的扩散作用等物理作用和化学作用，在海洋中也能产生电场，其强度可达100微伏／米。在浮游植物和细菌的聚集区，也发现有生物电场。

海水的各种较大尺度的运动，如表面长波、内波、潮汐和海流等，都能感应出相应的电磁场。研究海水各种尺度运动所产生的感应电磁场，探求测量它们的方法，进而通过电磁测量来了解海水的各种运动，也是海洋电磁学研究的一个重要方面。

陆地、舰艇和飞机与水下潜艇进行无线电通讯时，所用的电磁波中的超长波，波长在万米以上（频率低于30千赫）。电磁波沿地球表面和高度为70～80千米的电离层所构成的两个同心反射层之间传播，然后垂直透入海水，潜艇可在水面以下30米深处收到这种电磁波。

要从陆地上和藏在大洋深处的核潜艇通讯，比较可靠的手段是极低频电磁波（波长在百万米以上）。实验表明，潜航于120米深的核潜艇用300米长的拖曳接收天线，能顺利地收到4600千米远的极长波指令。使用超长波和极长波对潜艇通讯，其优点是不受磁爆、核爆炸和太阳黑子的影响。

裂隙中充满海水的岩石和硫化矿物，都能使岩石的电导率增加两个量级以上，可以用电磁波探测到，这是一种有效的探测手段。海底岩石圈的电导率与它的物理化学性质、温度和含水量等，均有关系。根据海底附近的电磁测量，推断海底以下的上地幔岩石圈的电磁性质，可用来研究海底岩石圈的结构、热力学过程和海底岩基的运动及海底矿床的形成。