记录海洋学选修课的作业 - 声学多普勒流速仪测量海流原理

+ m) n% X; d, q$ r8 W8 V

1）海洋对地球生态系统的重要性

答：

' _, r" r; B- c- h( s& a

①　海洋可以容纳庞大数目的生产者、消费者和分解者并实行相应的生物功能，例如海洋中容纳的藻类，可以完成地球上光合作用产氧量总量的70%以上，是地球最大的氧气制造来源，对于地球生态系统的运行至关重要；

) w6 }3 M Y+ I) M& O

②　海洋具有自净能力，大量海水能够作为溶剂将污染物稀释，海洋中的洋流、海浪和潮汐都能够促进污染物的稀释，海洋中大量的微生物等能够促进污染物的分解，不仅仅局限于海洋内部污染，甚至可以促进全球范围内的污染的治理。例如海洋细菌，能够在生态系统受到某种破坏时以极快的繁殖和适应能力形成异常微生物区系，参与氧化还原活动，调整平衡，科学家将特定种类微生物用于环境治理；

+ d. G; H' E# V9 R) D

③　海洋中生长着20余万种生物和2万5千多种植物，同时沿海地区涵养了丰富物种，物种丰富度极大，调节功能强，降低了生态系统因为物种组成受到破坏而生态系统崩溃的可能性，可以有效地维持海洋生态系统本身的稳定，促进物质和能量循环，间接地帮助了地球生态系统维持稳定；

④　海洋同样是水循环、碳循环等生态系统中基本循环的重要参与者，水汽很大程度上来自于海水的蒸发，是降水的基础，而降水是生态系统运转的基石；

' u! v3 J' U1 W5 R G' v

⑤　海洋同时参与碳循环，吸收二氧化碳，可以调节全球气候，维持生态系统稳定。

2）海洋对气候的重要性：

4 ~ A4 M$ n. u# D

答：

7 |+ b6 D% s( W4 I! u& N. F

海洋-大气相互作用，大气-冰相互作用，生物圈-大气相互作用都是海洋生态系统中体现的重要的地球气候系统的主要组成。

0 o# Y8 D) J7 o7 w: i, M B8 s

①　举例来说，海洋在减少温室效应中起到非常重要的作用，目前，人为制造的二氧化碳大约有1/2被海洋吸收，如果缺少海洋的调节，全球气候将受到极大的影响。

7 s, ?0 y: y3 \4 s$ `* w

②　海洋可以改变大气的成分，并通过这一点影响气候。历史上，地质时期火山运动在大气中增加的二氧化碳的99%都被海洋吸收，并且通过生物泵储存在海洋沉积物中。

③　海洋具有热海绵效应，其独特的热属性可以吸收大量的热量，降低全球的气温，这也是对温室效应的一种重要的调节方式，在气温不同时，海水可以在温度高时吸收热量，在温度低时放出热量，冷暖海水可以通过流动交换热量，有助于维持全球的气温的稳定。

3）海洋对人类的重要性：

% G/ \0 a% j1 u6 C7 P

答：

①　海洋是最大的蛋白质供应源、重要的石油来源、矿物来源。提供的食品资源、化工资源对人类来说是不可或缺的。

+ X% h/ @! o4 _1 h' d9 w

②　海洋对生态系统和气候的重要意义是人类赖以生存的基础。

③　海洋目前是人类制造垃圾的排放点，海洋能够极大地减少人类发展的副产品对人类的影响。

④　海洋具有很大的研究价值，利用价值，艺术价值等。海洋的各种资源深入到人类发展的方方面面。

' h+ d4 q- _2 h5 \0 K

⑤　海洋中的多种生物可以用于制药，特定种类的微生物也有医疗价值。

5 E0 g ], q e. T( |% X

⑥　台风、海啸等都是对人类生活影响极大的元素。

4）地球和海洋分层的原因

: y4 H9 b/ `2 }) S) V

答：

1.地球分层的原因：

/ B! c1 Y0 t# ]/ p/ _" O( M5 S1 I

现在的观点普遍是：地球自于自身重力的压缩以及核素的衰变的放射产生的能量使地球温度大大高于现在的温度，地球表面形成岩浆海，呈现均匀的熔融状态。此时地球成分在重力的作用下发生了分离，并且地球随时间从外而内冷却下来，分离层渐渐稳定，形成了现在的地球的分层（重物质如铁、镍等沉入地球中心，轻物质浮于地球表面）。具体查到的信息如下：

“金属相和硫化物相(Fe,Ni,FeS)下沉形成地核，橄榄石上升形成上地幔，中间是具钙钛矿结构硅酸盐矿物的下地幔。最终岩浆海冷却下来，表面固结成刚性的岩石圈，并且形成了科马提岩组成的原始地壳，它是地球表面最早冷却固结下来的薄层。经过太古宙的大陆地壳增生作用，主要是指上地幔的橄榄岩发生了一次或多次部分熔融作用，岩浆逐步演化成中酸性的富Si、Al岩浆，熔融剩下的难熔的方辉橄榄岩残留在上地幔中。这些最早的富Si、Al的岩浆上升到地表，或浅成侵入，形成了古老的克拉通结晶基底。这些克拉通分布在南非、澳大利亚、北美、华北、西伯利亚等地。元古宙至今，它们经历板块构造、遭受了风化剥蚀、接受了沉积盖层，形成了现在看到的平均成分中酸性大陆地壳。”

（作者：邸彦昆

链接：https://www.zhihu.com/question/30928155/answer/60256951） - y: n! X3 c9 w+ l3 y( Z8 y

如今地球的分层为：地壳/（莫霍界面）/地幔/（古登堡界面）/地核

从地震波的传播规律分析，科学家推导，地球的磁场可能就是由外核中高温高压的铁镍金属，围绕着内核的流动产生的，这也从另一个方面暗示了地球分层的原因是地球在逐渐冷却的过程中各种物质随密度差异的分离。

" Q9 W$ n _( S; l

2.海洋分层的原因：

3 `* t6 P3 s; ^& ]% G

首先，海水可以从多个维度上视为分层：温度，盐度，密度，深度等。

①　温度层面上的分层：温跃层。（低纬度地区）

原因：在较高的太阳高度和恒定的日照时长下，低纬度地区的表层水温较高，但太阳提供的热量无法进入海洋深处。表层水混合较好，温度较为恒定；而海水上下对流不足，水温无法传递到深层水，深层水的温度也较为恒定。故出现了水温的突变和分层。

# j& f- a, `: t S9 o( R

②　盐度层面上的分层：盐跃层（高纬度和低纬度）

原因：造成盐度差异的活动主要有：降水、径流、冰山融化、海冰融化、海冰形成和蒸发等。高纬度地区存在冰的融化现象，并且蒸发较少，故表层水盐度低；而低纬度恰好相反。表层水的盐度存在差异，而可以造成此种差异的活动并不能够影响到深层海水。并且不同盐度的海水混合的速度很慢。故存在盐分上的突变和分层。

0 N$ [# W9 d$ V6 h8 P# k8 }" j* `

③　密度层面上的分层：密度跃层（低纬度）

- g% T1 X! U0 ^& y

决定海水密度的主要有温度，盐度，压力。而其中温度是最显著的影响因素。所以密度上的分层基本上与温度上的分层一致。

/ a& @8 @* y Y1 R" T' [( ^5 B6 H

④　深度上的分层：

' y( h8 K1 | C. o6 a1 r

依次分为“光合作用带”“中层带”“深层带”“深渊带”“深海带”。这些带的区别是光照，氧气含量，压力和温度等影响生存的环境条件。

. y% j! T0 P% H/ n, {2 ?. g6 [

5）仪器（传感器）在海洋学发展历史中的重要性：

- C5 Q, W# T: h+ l& u6 Z, V2 z( f

传感器技术是海洋仪器设备的基础，其各方面性能是衡量仪器设备好坏的关键，同时也是调查数据质量的保证，物理海洋学的研究离不开大量的实测海洋数据，集成了各种性能优异的传感器仪器设备是海洋调查的基础。

9 ~4 }4 Z, D( X$ n0 I! S3 ]

①　举例：声学多普勒流速剖面仪（ADCP）

+ J p$ E# W! H/ v+ L5 U: i8 ~: M

是海洋科研界最常用的设备之一，解决了海水流速流向的测量。单纯测量海水流速流向比较困难，而它通过声学原理测量海水里的杂质或者气泡等可以改变声波的物体的运动特征来确定海水本身的流速流向。这个数据是海洋的基本数据，可以直接实时输出，给海洋的洋流等研究提供了很大的便利。

6 G" r; f) Y/ @+ A7 G. [+ s' ~

ADCP是十九世纪八十年代的产品，对洋流的研究就是建立在这个仪器之上的，ADCP改变了人类对洋流的认识。研究海流和波潮时，常用的方法就是将ADCP安装在位于水中或者水底的锚系管测平台上。

②　举例：温盐深测量仪（CTD）

- p) C; q. C8 r# c; _$ `

同样是基础设备之一，可以给出海水的温度、盐度、深度、电导率、压力、溶解氧等数据。这些同样是非常基础和必要的海洋数据。CTD主要用于沿海生态系统中生物地球化学参数的长期观测，可以实时接收数据，并且长期观测的时长可以达到一年左右。根据配置不同也可以测量较大的剖面。CTD的发明也是海洋科学的奠基石之一 ，包含的各类数据反映了研究海域的基本状况。

5 }! t% j. O/ z1 _$ B6 _2 S

传感器的出现和使用，是海洋学获取海洋数据的基础，了解海洋和建立理论体系的前提。

0 |7 @* i t$ F1 {

1. 板块边界有哪些类型？

答：有以下三种板块类型：

3 T: z% p* v- e0 a; L9 B/ C

①　离散型板块边界

洋壳-洋壳，产生新的洋壳，如大西洋洋中脊；陆壳-陆壳，产生新的洋盆，如东非大裂谷。

& E3 r) w3 l& t3 \- g2 C

②　汇聚型板块边界

洋壳-洋壳，密度有差异，俯冲形成岛弧；洋壳-陆壳，密度有差异，俯冲使洋壳消亡；陆壳-陆壳，密度差异小，碰撞隆起形成山体。

③　转化型板块边界

4 H* A" |' I& `9 G4 H# ]& {

板块之间的平行运动，没有地壳的产生或消亡，转化型板块边界产生剪切力，表现出断层地貌。

2. 简述威尔逊旋回。

答：威尔逊旋回是大陆分裂、大洋扩张、收缩和消失的一个连续演变的过程。

初始：陆地地区，地幔物质上涌喷出，形成裂谷，开始出现洋壳并逐步扩张。新的洋壳在洋中脊产生，洋壳沿着离散型板块边界向两边扩张；与陆壳汇聚时由于密度大而俯冲至陆壳底部，熔融进入软流圈中（当产生速度大于俯冲速度时洋盆扩张，反之则缩小）；大陆的边界不断产生岩层（板块之间平行运动，发生横向断裂；板块的陆地部分发生碰撞时隆起）；最后洋壳消失，进入下一个循环（在洋中脊处喷发产生新的洋壳，或经地幔柱形成岛链）。

6 r/ t) ^" T( c2 P b7 D! ?

3. 选一种岩石，描述它的成因及性质。

& s C2 G4 x: J& y1 r2 u

岩浆岩：

* J$ n6 l8 B1 Q' |) b

成因：岩浆岩由岩浆冷却凝固而成，分为喷出岩和侵入岩。喷出岩为岩浆直接喷出地表后冷凝形成，在温度和压力突变的条件下形成，形成所需时间短；侵入岩为岩浆侵入地壳后在地下冷凝后形成，所需时间长。

& t" [* p, w9 E

性质：岩浆岩又名火成岩，根据二氧化硅的含量（酸度即二氧化硅的重量的百分比）分为超基性岩（如橄榄石），基性岩（如玄武岩），中性岩（如闪长岩）和酸性岩（如花岗岩）。主要矿物为橄榄石（绿色）、辉石、角闪石、云母、长石、石英。

陆壳和洋壳的主要成分花岗岩和玄武岩，都是岩浆岩的一种。

喷出岩在形成过程中,由于溶解在岩浆中的物质以气体的形式大量逸出，岩石表面可以观察到很多气孔。

侵入岩常为块状构造，在地下环境较为稳定没有剧烈改变，有更好的结晶，并且一般是不同种矿石的混合。还可以按侵入部位深度进一步分成深成岩和浅层岩，结构上存在差别。

1. 你认为全球变暖是威胁吗？

答：我认为全球变暖对人类发展是一个较大的威胁。

除去夏季温度升高（热浪增加）、极端降水事件的多发、飓风活动的增加、海平面上升、冰原冰川缩减这类能够直接对人类生产生活造成显著直接影响的事件外，还有许多间接性的、存在于生态系统中的长远影响。例如：

深海环流的变化。许多气象专家推测的一种可能的方式是，大气中的温室气体的累积导致温度上升，加快了包括格陵兰岛在内的多地冰川融化的速度。格陵兰岛冰川的融化可能在北大西洋形成一团低密度的表层淡水，会抑制北大西洋深层水的下沉运动，重组全球的环流形态，并导致相应的气候变化，这种变化可能具有全球性，并且速度非常快。

& f% x3 z6 J8 l$ V- {( j; F

海洋酸度的增加。大量的二氧化碳气体（接近化石燃料燃烧产生二氧化碳总量的一半）进入海洋中，在海水中以碳酸的形式存在。这一变化已经超过了海洋生态系统本身的缓冲能力。酸化的海洋主要对不同的钙化生物（如珊瑚、颗石藻等）产生威胁，而这些钙化生物又是其它海洋生物重要的栖息地和基本食物。同时酸化也会对一些生物的孵化和成长造成威胁，例如作为南极食物链中重要组成部分的南极虾。综上，海洋的酸化极有可能对整个海洋生态系统造成重大的负面影响。

8 m* ^9 m6 r* B

同时，也存在一些后果的预测：如极端天气加剧、海洋温度上升导致生产力的变化（温度的改变造成了海洋中养分物质的循环，表层藻类等生产者的生产总量将会发生下降）、水污染问题等。

2.地球历史上有很多更温暖的时期，你认为人类对全球变暖的态度是杞人忧天吗？

* |4 t1 ?' D7 h5 a y

答：不认为是杞人忧天。

确实自人类文明史开端以来，地球有过比现在更加温暖的时代，但是现在人们关心的近一百年的全球变暖，是建立在工业革命造成的巨大温室气体排放量之上的，也就是说，这个问题是人为造成的，而非类似于之前的自然变化，是某种意义上的史无前例，而影响尺度又无比巨大。人类应当给予自己大规模改变自然环境的行为足够的关注。

- {" f% N) }- E

退一步讲，近一百年的全球变暖已经发展到了会对全球生态系统和人类生活产生重要影响的地步了，对于地球这个存在可能不值一提，但人类处于自身生活的需要也必须关注全球变暖的影响。这是全球范围的现象，并且无法进行确切的计算，未来如何变化只能够猜测和观测。从这个角度来说，至少对于人类长久的发展来说，全球变暖是一个很大的变量，并且弊大于利。如果不加以控制，这将会成为人类的巨大忧患。不能够抱着不负责任的态度面对这个问题。

所以我认为相关国际机构对全球变暖的重视是完全必要的。这也应该成为全体人类的共识。

' O" |& |: C" v% d6 }