《以文化的名义说海洋》109说:海水物语之十九:何谓海洋物理学
作者:李明春 来源:海洋文化教育研究中心 访问:504 日期: 2023-03-08

何谓海洋物理学

什么是海洋物理学?
海洋物理学是以物理学的理论、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、岩圈和生物圈的相互作用的科学。它是海洋科学的一个重要分支,与大气科学、化学海洋学、地质海洋地学、生物海洋学有密切的关系,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。
海洋物理学较其它海洋分支学科中,拥有较早的研究历史。
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和海洋学的萌芽时代。其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。
早在公元前三世纪,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”号的海洋考察(1872~1876)是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。
之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。
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。
海洋物理学学科基本内容: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。
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图:声呐技术
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、海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,电磁波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。
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图:激光卫星可发现水下核潜艇
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。
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。

海洋物理学研究海洋中的声、光、电现象和过程,以掌握其变化和机制;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。通过上述研究,形成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。