[科普中國(guó)]-海洋物理學(xué)

基本介紹發(fā)展簡(jiǎn)史

海洋物理學(xué)作為海洋科學(xué)的一個(gè)獨(dú)立分支學(xué)科，始于19世紀(jì)末葉，但其下屬一些分支的發(fā)展歷史，卻可追溯到自然地理學(xué)和海洋學(xué)的萌芽時(shí)代。海洋物理學(xué)發(fā)展史，可概括為三個(gè)階段：海洋考察；早期的理論研究和觀測(cè)儀器的研制；現(xiàn)代海洋學(xué)。

早在公元前三世紀(jì)，希臘學(xué)者畢塞亞斯在北海考察中，就初步進(jìn)行了潮汐和地磁偏角的觀測(cè)，但是專(zhuān)門(mén)的海洋考察則始自19世紀(jì)。其中較著名的有“閃電”號(hào)(1868)、“豪豬”號(hào)(1869～1870)等的海洋考察。特別是英國(guó)“挑戰(zhàn)者”號(hào)(1872～1876)具有劃時(shí)代意義的環(huán)球海洋考察。

19世紀(jì)末至20世紀(jì)初，德國(guó)“羚羊”號(hào)對(duì)世界大洋的考察，法國(guó)“勞動(dòng)者”號(hào)和“法寶”號(hào)對(duì)北大西洋的考察，美國(guó)“企業(yè)”號(hào)的環(huán)球考察，都涉及到海洋物理學(xué)的內(nèi)容。這些考察，從實(shí)踐上為海洋物理學(xué)的早期發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

以后陸續(xù)出現(xiàn)許多專(zhuān)門(mén)的海洋考察活動(dòng)，內(nèi)容更加廣泛和深入，例如德國(guó)“流星”號(hào)的南大西洋考察，美國(guó)“卡內(nèi)基”號(hào)的地磁觀測(cè)，瑞典“信天翁”號(hào)對(duì)三大洋赤道無(wú)風(fēng)帶的深?？疾斓龋紡牟煌姆矫娲龠M(jìn)了海洋物理學(xué)的發(fā)展。

從17世紀(jì)到19世紀(jì)末葉，一些杰出的物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家曾對(duì)海洋中的某些物理現(xiàn)象進(jìn)行過(guò)研究，為海洋物理學(xué)中一些分支的形成和發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。

在潮汐理論方面。1687年，英國(guó)牛頓根據(jù)他發(fā)現(xiàn)的萬(wàn)有引力定律，用引潮力解釋了潮汐的成因；1740年，瑞士伯努利建立了平衡潮學(xué)說(shuō)；1775年，法國(guó)拉普拉斯建立了潮汐動(dòng)力學(xué)理淪，給出了考慮地轉(zhuǎn)偏向力影響的潮汐動(dòng)力學(xué)方程組，及在特定條件下的特解；1845年，英國(guó)艾里提出了潮汐的長(zhǎng)渠波動(dòng)理論，并對(duì)其進(jìn)行了較深入的研究；1872～1879年，英國(guó)湯姆遜(開(kāi)爾文)設(shè)計(jì)了潮汐分析和預(yù)報(bào)的機(jī)械裝置；1878～1891年，英國(guó)達(dá)爾文研究了地球潮汐，并提出了海洋潮汐分析和預(yù)報(bào)的調(diào)和分析方法。

在波浪理論方面。1802年，捷克格爾斯特納發(fā)表了深水表面波的理論；1839年，英國(guó)格林建立了小振幅波理論，并導(dǎo)出了以波長(zhǎng)表示的相速公式；1847年，英國(guó)斯托克斯建立了有限振幅波理論和小振幅內(nèi)波理論，后來(lái)在1876年又提出了與波動(dòng)能量傳播有關(guān)的群速公式。

1857年，英國(guó)湯姆遜(開(kāi)爾文)首先導(dǎo)出了深海海水的絕熱溫度梯度公式；1898年，挪威皮耶克尼斯推廣了理想斜壓流體的環(huán)流定理，發(fā)表了適用于旋轉(zhuǎn)地球上的環(huán)流定理。

在海洋聲學(xué)研究方面。1825年，瑞士科拉東和法國(guó)斯圖謨?cè)谌諆?nèi)瓦測(cè)量了聲在水中的傳播速度；1912年，美國(guó)費(fèi)森登設(shè)計(jì)并制造了一種新型的動(dòng)圈換能器。

19世紀(jì)末葉到20世紀(jì)初，隨著海洋調(diào)查的進(jìn)一步發(fā)展，海洋物理學(xué)的研究進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。這一階段的主要標(biāo)志是，應(yīng)用流體動(dòng)力學(xué)的方法來(lái)研究海洋環(huán)流。例如，1902年，挪威桑德斯特勒姆和海蘭·漢森基于旋轉(zhuǎn)地球上的環(huán)流定理，發(fā)展了在現(xiàn)代海洋環(huán)流研究和海洋調(diào)查中廣泛應(yīng)用的“動(dòng)力計(jì)算”方法。1901年和1905年，瑞典?？寺鼘?duì)美國(guó)莫里在1855年指出的海面風(fēng)和表層海流之間的關(guān)系，作出了理論的解釋?zhuān)瑥亩⒘孙L(fēng)漂流理論。

自此以后，海洋物理學(xué)的研究即以海洋環(huán)流理論研究為重點(diǎn)，密切結(jié)合水文物理和化學(xué)要素的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，不斷地向前發(fā)展。

20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，海洋物理要素的調(diào)查監(jiān)測(cè)技術(shù)和研究設(shè)備日益完善，各種海洋過(guò)程的理論模式和海洋信息處理系統(tǒng)相繼建立，以浮標(biāo)陣為主體的海上現(xiàn)場(chǎng)對(duì)測(cè)試驗(yàn)，及包括航天遙感技術(shù)在內(nèi)的新技術(shù)，得到廣泛應(yīng)用，都有力地促進(jìn)了現(xiàn)代海洋物理學(xué)的研究，沿著理論和觀測(cè)實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合的途徑向前發(fā)展。1

基本內(nèi)容海洋物理學(xué)的主要研究海水各類(lèi)運(yùn)動(dòng)和海洋與大氣及巖圈的相互作用的規(guī)律，為海況和天氣的監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)提供依據(jù)；研究海洋中的聲、光、電現(xiàn)象和過(guò)程，以掌握其變化和機(jī)制；研究海洋探測(cè)的各種物理學(xué)方法。

物理海洋學(xué)是現(xiàn)代海洋物理學(xué)中最早發(fā)展起來(lái)的一個(gè)分支學(xué)科，其研究?jī)?nèi)容最為廣泛。物理海洋學(xué)主要研究發(fā)生在海洋中的流體動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過(guò)程，其中包括海洋中的熱量平衡和水量平衡，海水的溫度、鹽度和密度等海洋水文狀態(tài)參數(shù)的分布和變化，海洋中各種類(lèi)型和各種時(shí)空尺度的海水運(yùn)動(dòng)(如海流、海浪、潮汐、內(nèi)波、風(fēng)暴潮、海水層結(jié)的細(xì)微結(jié)構(gòu)和湍流等)及其相互作用的規(guī)律等等。

海洋氣象學(xué)是物理海洋學(xué)和氣象學(xué)密切結(jié)合的一個(gè)邊緣學(xué)科，它主要研究發(fā)生在誨洋和大氣邊界層中的熱量、動(dòng)量和物質(zhì)交換過(guò)程，海洋與大氣的大。中尺度相互作用和中、長(zhǎng)期的海況及氣候變遷規(guī)律，海上天氣過(guò)程和現(xiàn)象，特別是危險(xiǎn)性天氣過(guò)程的預(yù)報(bào)。

海洋聲學(xué)是研究聲波在海洋水層、沉積層和海底巖層中的傳播規(guī)律，及在海洋探測(cè)和海洋開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用的學(xué)科，其主要研究?jī)?nèi)容包括海洋中聲的傳播和聲速分布、聲吸收和聲散射、海洋中的自然噪聲、海洋水層中的聲學(xué)探測(cè)。海底聲學(xué)特性和海底聲學(xué)勘探等等。

海洋電磁學(xué)主要研究海洋的電磁特性，海洋中的天然電磁場(chǎng)和電磁波的運(yùn)動(dòng)形態(tài)及傳播規(guī)律，電磁波在海洋探測(cè)和通信及海洋開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用。

海洋光學(xué)的研究?jī)?nèi)容，在基礎(chǔ)研究方面主要是海洋輻射傳遞過(guò)程的研究，以及海面光輻射、水中能見(jiàn)度、海水光學(xué)傳遞函數(shù)、激光與海水相互作用等研究；在應(yīng)用研究方面主要是遙感、激光、水中照相工程等海洋探測(cè)方法和技術(shù)的研究。

河口海岸帶動(dòng)力學(xué)主要研究河口地帶和海岸地帶中海水的各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律，河口海岸帶地形地貌的變化及產(chǎn)生這些變化的動(dòng)力因素。這些研究對(duì)海岸防護(hù)、港口建筑等都有密切的關(guān)系。

此外，隨著現(xiàn)代海洋資源開(kāi)發(fā)和近岸海區(qū)海洋學(xué)研究的進(jìn)一步發(fā)展，在海洋物理學(xué)的研究領(lǐng)域中，正在形成一些帶有區(qū)域性的派生學(xué)科，如陸架物理海洋學(xué)等等。

研究海洋中的物理現(xiàn)象及其變化規(guī)律，并研究海洋水體與大氣圈、巖石圈和生物圈的相互作用的科學(xué)。海洋科學(xué)的重要分支，物理學(xué)的一部分。與大氣科學(xué)、海洋化學(xué)、海洋地質(zhì)學(xué)、海洋生物學(xué)有密切關(guān)系。

海洋物理學(xué)的研究?jī)?nèi)容十分廣泛，而當(dāng)前的研究課題可以大致歸納為如下幾個(gè)方面：

① 研究各種時(shí)－空尺度的海水運(yùn)動(dòng)及其相互關(guān)系，特別是大、中尺度的海洋-大氣相互作用及其時(shí)-空變異，從而建立相應(yīng)的熱力學(xué)-流體力學(xué)模型,以提高氣象預(yù)報(bào)與海況預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

② 研究各種海洋物理要素場(chǎng)的形成機(jī)制及其頻率－波數(shù)譜的結(jié)構(gòu)，特別是海洋中的中尺度渦、內(nèi)波、海水層結(jié)的細(xì)微結(jié)構(gòu)和海洋湍流等。

③ 研究全球大洋和各分區(qū)的水團(tuán)和環(huán)流結(jié)構(gòu)。

④ 研究全球大洋各分區(qū)，特別是近岸海區(qū)和陸架區(qū)的水文物理特征。

⑤ 研究聲波、光輻射、無(wú)線電波、電磁場(chǎng)在海洋中的傳播規(guī)律和聲、光、電技術(shù)探測(cè)海洋(包括通信)的方法和技術(shù)。

⑥ 研究與海洋資源開(kāi)發(fā)、環(huán)境保護(hù)、航海、漁業(yè)和海洋工程等有直接關(guān)系的海洋物理學(xué)問(wèn)題，為人類(lèi)的海上生產(chǎn)實(shí)踐服務(wù)。

主要理論潮汐理論1687年，英國(guó)I.牛頓根據(jù)他發(fā)現(xiàn)的2萬(wàn)有引力定律，用引潮力解釋了潮汐的成因。1740年，瑞士D.伯努利建立了平衡潮學(xué)說(shuō)。1775年,法國(guó)P.-S.拉普拉斯建立了潮汐動(dòng)力學(xué)理論，給出了考慮地轉(zhuǎn)偏向力影響的潮汐動(dòng)力學(xué)方程組及在特定條件下的特解。1845年，英國(guó)G.B.艾里提出了潮汐的長(zhǎng)渠波動(dòng)理論,并對(duì)其進(jìn)行了較深入的研究。1872～1879年,英國(guó)W.湯姆孫（開(kāi)爾文）設(shè)計(jì)了潮汐分析和預(yù)報(bào)的機(jī)械裝置。1878～1891年,英國(guó)G.H.達(dá)爾文研究了地球潮汐,并提出了海洋潮汐分析和預(yù)報(bào)的調(diào)和分析方法。

波浪理論1802年,捷克F.J.von格爾斯特納發(fā)表了深水表面波的理論。1839年，英國(guó)G.格林建立了小振幅波理論，并導(dǎo)出了以波長(zhǎng)表示的相速公式。1847年，英國(guó)G.G.斯托克斯建立了有限振幅波理論和小振幅內(nèi)波理論；后來(lái)在1876年又提出了與波動(dòng)能量傳播有關(guān)的群速公式。

環(huán)流定理1898年，挪威V.皮耶克尼斯推廣了理想斜壓流體的環(huán)流定理，發(fā)表了適用于旋轉(zhuǎn)地球上的環(huán)流定理。④ 海水狀態(tài)方程。

1857年，英國(guó)W.湯姆孫（開(kāi)爾文）首先導(dǎo)出了深海海水的絕熱溫度梯度公式。

海洋聲學(xué)研究1826年，瑞士J.D.科拉東和法國(guó)J.C.F.斯圖謨?cè)谌諆?nèi)瓦測(cè)量了聲在水中的傳播速度。1912年，美國(guó)R.A.費(fèi)森登設(shè)計(jì)并制造了一種新型的動(dòng)圈換能器，從而制成第一臺(tái)水下發(fā)信和回聲探測(cè)設(shè)備。此后，又開(kāi)始了聲在海洋中的傳播規(guī)律的研究。

海洋電磁理論在海洋電磁理論方面。1831年，英國(guó)法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并于1832年指出，在地磁場(chǎng)中流動(dòng)的海水，就像在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的金屬導(dǎo)體一樣，也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；1851年，英國(guó)渥拉斯頓在橫過(guò)英吉利海峽的海底電纜上，檢測(cè)到與潮汐周期相同的電位變化，證實(shí)了法拉第的預(yù)言。隨后成立海洋物理的分支學(xué)科——海洋電磁學(xué)。

相關(guān)介紹研究?jī)?nèi)容海洋物理學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容是：①研究海水各類(lèi)運(yùn)動(dòng)和海洋與大氣及巖圈的相互作用的規(guī)律，為海況和天氣的監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)提供依據(jù)；

②研究海洋中的聲、光、電現(xiàn)象和過(guò)程,以掌握其變化和機(jī)制;

③進(jìn)行為上述兩項(xiàng)研究所必需的海洋觀測(cè)，并研究海洋探測(cè)的各種物理學(xué)方法，從而實(shí)現(xiàn)有計(jì)劃地在海上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的專(zhuān)題觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)。通過(guò)這三方面的研究，形成了海洋物理學(xué)中一系列的分支學(xué)科。

其中主要的有物理海洋學(xué)、海洋氣象學(xué)、海洋聲學(xué)、海洋光學(xué)、3海洋電磁學(xué)和河口海岸帶動(dòng)力學(xué)等等。

①各種時(shí)-空尺度的海水運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

②海洋物理要素場(chǎng)的形成機(jī)制及其頻率-波數(shù)譜的結(jié)構(gòu)，特別是大洋中尺度渦、海洋內(nèi)波、海水層結(jié)的細(xì)微結(jié)構(gòu)和海洋湍流等。

③水團(tuán)和環(huán)流結(jié)構(gòu)，如大洋環(huán)流、赤道潛流、上升流、下降流等。

④近岸海區(qū)和陸架區(qū)的水文規(guī)律。

⑤聲波、光輻射、無(wú)線電波、電磁場(chǎng)在海洋中的傳播規(guī)律和技術(shù)應(yīng)用。

⑥為海上生產(chǎn)服務(wù)的應(yīng)用課題。

展望為了開(kāi)發(fā)海洋和利用海洋，使海洋更好地為人類(lèi)服務(wù)，在海洋物理學(xué)的發(fā)展方面，下面幾點(diǎn)將是人們努力的主要方向：

① 觀測(cè)技術(shù)和觀測(cè)方法的改進(jìn)。海洋物理學(xué)的發(fā)展，在很大程度上取決于觀測(cè)技術(shù)和觀測(cè)方法?，F(xiàn)代海洋物理學(xué)的觀測(cè)技術(shù)，將朝著自動(dòng)化、遙感化的方向發(fā)展。人們將廣泛利用人造衛(wèi)星進(jìn)行全球性海洋物理方面的觀測(cè)，并建立國(guó)際間的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，以儲(chǔ)存、交換和處理海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)。這些將促進(jìn)海洋物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。

② 進(jìn)一步研究海洋中物理現(xiàn)象的規(guī)律。海洋中發(fā)生的許多物理現(xiàn)象和過(guò)程，有一些已得到初步的研究。因?yàn)檫@些現(xiàn)象與人類(lèi)生活環(huán)境密切相關(guān)，所以有必要進(jìn)一步去探索其規(guī)律。例如,深入了解大尺度海-氣相互作用，將使人們能較準(zhǔn)確地進(jìn)行氣候預(yù)報(bào)，甚至可能控制局部地區(qū)的氣候。

③ 進(jìn)一步為海洋資源開(kāi)發(fā)服務(wù)。海洋開(kāi)發(fā)將是未來(lái)海洋科學(xué)的發(fā)展方向。在海洋農(nóng)牧化、捕撈、海洋石油勘探、海洋能源利用等開(kāi)發(fā)活動(dòng)中，將不斷對(duì)海洋物理學(xué)提出更高的要求。海洋物理學(xué)今后的發(fā)展，也將在很大程度上取決于海洋開(kāi)發(fā)的需要。