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轻松读懂海洋(3)海水的复杂性质 精选

已有 4057 次阅读 2021-12-1 17:22 |系统分类:科普集锦

水在日常中很常见,江河湖海洋到处都是。但是,从科学的角度来区分,水和水之间有很大差别。

水的分子式很简单H2O。但是从原子角度来看,O存在着同位素,也就是这些原子具有相同的质子数8,而其中子数可不尽相同。正常情况下,O原子具有8个中子数,这样的氧原子叫做O16。偏偏有一些氧原子中的中子数是10,于是这样的氧原子叫做O18。显而易见,O18O16更重,相对不灵活。当水蒸发的时候,H2O16就会比H2O18容易蒸发道空气中,随风而走,海洋中H2O18就会增加。于是在不同的海域,海水中H2O16H2O18的比值是不一样的。

宏观上,海洋里的水有两个性质非常重要,那就是温度和盐度。关于温度,大家比较熟悉。在热带,表层水的水温比较高。而在寒带,表层水的水温就会相对降低。关于盐度,从一般意义上也很好理解,比如日常生活中,吃饭喝汤的时候,有的汤偏咸,也就是含盐量比较高。有的汤清淡,含盐量少。

海水富含各种离子,其中钠和氯的含量很高,所以我们就可以从海水中把盐(Nacl)析出来,在海边也经常看到各种盐场。

水分子中的一个氧和两个氢的电荷数相同,符号相反,整体上不带电。但是,在空间结构上,氧和氢并不对称分布,呈现局部带电的效果。一个水分子的氧原子可以吸引另外一个水分子的氢分子。但是这种结合并不稳定,会随时断开。这种断断续续的状态就是水的液态。看似为一个整体,但是又可以轻易分开。水分子如果全部分开,各自为政,这种状态其实就是气态。

如果温度继续降低到冰点,水分子结晶,但是结晶得很松散,内部也可能充斥空气,造成其整体密度反而降低。于是我们发现,高温和低温两种状态下,水的密度都是低的,正常情况下,对于纯水,在4摄氏度时,其密度最大。所以,我们会看到冰漂浮在水面上。

当水中含有离子,变得不纯的时候,受到这些例子的干扰,水分子之间更不容易链接形成晶体,于是,随着盐度增加,盐水的冰点就会降低。即使到了零度,盐水也不会结冰。同时,随着盐度增加,水的密度也增加。

水面并不平静,浅部的水和深部的水会发生一定的混合,在这个混合层里,水的温度和盐度相对均匀。对于淡水而言,当温度降低到0摄氏度时,即刻结冰,所以在河面上的冰层相对较薄。但是对于海水,即使到了0摄氏度也不结冰,同时水的密度增大,更容易下沉发生混合作用,这个混合层深度会增加。当温度继续下降,达到海水结冰时,在海面上就会结出非常厚的一层冰。

在混合层下面,海水的温度和盐度会快速下降,我们把这种性质巨变的层分别叫做温跃层(Thermocline)和盐跃层(Halocline)。由于海水的密度受到温度和盐度的共同控制,所以必须要同时考虑这两种因素的共同影响。

在一个地区,海水的盐度取决于淡水注入和蒸发输出的平衡。如果蒸发少,降雨多,这个地方表层海水的盐度肯定会低。

中美洲这个地方比较特别,陆地东西狭窄,地处信风,风向为东北-西南向。于是,大西洋的水气很容易被吹入太平洋。在长时间尺度上,这种积累非常显著,会时太平洋的水有变淡的趋势。在这里,大西洋的热量也容易被大气带往太平洋,造成太平洋和大西洋之间存在着某种耦合关系。

前人研究发现,结合温度和盐度两种性质,就可以很好地区分不同水团。所谓水团就是整体上来源一致,性质稳定,和周边海水可以很好地区分。具有统一温度和盐度性子和的水团大规模运动,叫做热盐洋流。科学家进一步假设,在全球范围内,存在着一个统一的热盐洋流循环体系。他们不但在水平方向上往复流动,在垂向上,也存在下沉和上涌区。

从理论上讲,这个概念成立,因为全球的水是联通的,在大的时间尺度上,必然会相互交换。但是在细节和局部特征上,会有很大的出入。所以,热盐环流是一个长时间积分的结果。

水除了温度、盐度和密度等性质,还具有年龄特征。

通过科学的方法,可以确定大洋中不同水团的形成年龄。水团的年龄可不是水分子的年龄,很多水分子的年龄可以追溯到几十忆年前,有的水分子则形成现今。但是作为一个整体,水团的形成时间可以被追溯。通过测量,我们发现,北大西洋深层水(NADW)的年龄最小,北太平洋中深层水(NPDW)年龄可达到一千多岁。这说明北大西洋区是一个活跃区,不停地形成新的水团沉入海洋。而在太平洋地区则是这些水团的一个据点,NADW长途跋涉之后,在这里临时停滞。当然,随着时间再推移,北太平洋区的这些陈旧的老水也会通过某些力量翻转上来,重新参与全球的水循环。因此,在北太平洋区,并不会形成NADW一样年轻的深水团,否则,其年龄就不会这么老。

从上面的分析可之,当加入水的年龄后,我们就形成了时空演化的概念。原来在大洋中存在着很多特殊的水团,不同水团的占据着大洋的不同位置,并且相互之间会抢占大洋的空间,此消彼长,共同参与海洋的整体演化。这个演化又会影响表层海水热量分布,对全球的气候造成重要影响。

总的说来,这个大型的热盐环流可以从北大西洋始,海水下沉形成NADW,然后在大西洋海底一路向南到达南极洲,随之方向改向东,流入印度洋和南太平洋。这两个分支,各自向北运动,到达印度洋和北太平洋后,向上翻转,沿着赤道流的方向从东向西,在印度洋再偏向西南,从非洲南端进入南大西洋,把热量从南向北带到欧洲。这样就形成了一条联系全球水体的热盐传送带。

除了一些常见元素,海水中还溶解了大量的微量元素。科学家利用海水和海洋沉积物中这些各式各样的元素,去追踪大洋的洋流路径,了解不同水体之间的混合,确定海水的酸度,估算海标温度和盐度等。这些参数与全球气候变化密切相关,构成了古海洋学的重要研究内容。

之后,我们会对这些有趣的方法逐一进行介绍。




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