[科普中國]-海洋物理學

基本介紹發(fā)展簡史

海洋物理學作為海洋科學的一個獨立分支學科，始于19世紀末葉，但其下屬一些分支的發(fā)展歷史，卻可追溯到自然地理學和海洋學的萌芽時代。海洋物理學發(fā)展史，可概括為三個階段：海洋考察；早期的理論研究和觀測儀器的研制；現代海洋學。

早在公元前三世紀，希臘學者畢塞亞斯在北?？疾熘?，就初步進行了潮汐和地磁偏角的觀測，但是專門的海洋考察則始自19世紀。其中較著名的有“閃電”號(1868)、“豪豬”號(1869～1870)等的海洋考察。特別是英國“挑戰(zhàn)者”號(1872～1876)具有劃時代意義的環(huán)球海洋考察。

19世紀末至20世紀初，德國“羚羊”號對世界大洋的考察，法國“勞動者”號和“法寶”號對北大西洋的考察，美國“企業(yè)”號的環(huán)球考察，都涉及到海洋物理學的內容。這些考察，從實踐上為海洋物理學的早期發(fā)展奠定了基礎。

以后陸續(xù)出現許多專門的海洋考察活動，內容更加廣泛和深入，例如德國“流星”號的南大西洋考察，美國“卡內基”號的地磁觀測，瑞典“信天翁”號對三大洋赤道無風帶的深?？疾斓龋紡牟煌姆矫娲龠M了海洋物理學的發(fā)展。

從17世紀到19世紀末葉，一些杰出的物理學家和數學家曾對海洋中的某些物理現象進行過研究，為海洋物理學中一些分支的形成和發(fā)展奠定了理論基礎。

在潮汐理論方面。1687年，英國牛頓根據他發(fā)現的萬有引力定律，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說；1775年，法國拉普拉斯建立了潮汐動力學理淪，給出了考慮地轉偏向力影響的潮汐動力學方程組，及在特定條件下的特解；1845年，英國艾里提出了潮汐的長渠波動理論，并對其進行了較深入的研究；1872～1879年，英國湯姆遜(開爾文)設計了潮汐分析和預報的機械裝置；1878～1891年，英國達爾文研究了地球潮汐，并提出了海洋潮汐分析和預報的調和分析方法。

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，英國格林建立了小振幅波理論，并導出了以波長表示的相速公式；1847年，英國斯托克斯建立了有限振幅波理論和小振幅內波理論，后來在1876年又提出了與波動能量傳播有關的群速公式。

1857年，英國湯姆遜(開爾文)首先導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)表了適用于旋轉地球上的環(huán)流定理。

在海洋聲學研究方面。1825年，瑞士科拉東和法國斯圖謨在日內瓦測量了聲在水中的傳播速度；1912年，美國費森登設計并制造了一種新型的動圈換能器。

19世紀末葉到20世紀初，隨著海洋調查的進一步發(fā)展，海洋物理學的研究進入了一個新的發(fā)展階段。這一階段的主要標志是，應用流體動力學的方法來研究海洋環(huán)流。例如，1902年，挪威桑德斯特勒姆和海蘭·漢森基于旋轉地球上的環(huán)流定理，發(fā)展了在現代海洋環(huán)流研究和海洋調查中廣泛應用的“動力計算”方法。1901年和1905年，瑞典?？寺鼘γ绹镌?855年指出的海面風和表層海流之間的關系，作出了理論的解釋，從而建立了風漂流理論。

自此以后，海洋物理學的研究即以海洋環(huán)流理論研究為重點，密切結合水文物理和化學要素的觀測實驗，不斷地向前發(fā)展。

20世紀60年代以來，隨著科學技術的迅速發(fā)展，海洋物理要素的調查監(jiān)測技術和研究設備日益完善，各種海洋過程的理論模式和海洋信息處理系統相繼建立，以浮標陣為主體的海上現場對測試驗，及包括航天遙感技術在內的新技術，得到廣泛應用，都有力地促進了現代海洋物理學的研究，沿著理論和觀測實驗緊密結合的途徑向前發(fā)展。1

基本內容海洋物理學的主要研究海水各類運動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)測及預報提供依據；研究海洋中的聲、光、電現象和過程，以掌握其變化和機制；研究海洋探測的各種物理學方法。

物理海洋學是現代海洋物理學中最早發(fā)展起來的一個分支學科，其研究內容最為廣泛。物理海洋學主要研究發(fā)生在海洋中的流體動力學和熱力學過程，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)參數的分布和變化，海洋中各種類型和各種時空尺度的海水運動(如海流、海浪、潮汐、內波、風暴潮、海水層結的細微結構和湍流等)及其相互作用的規(guī)律等等。

海洋氣象學是物理海洋學和氣象學密切結合的一個邊緣學科，它主要研究發(fā)生在誨洋和大氣邊界層中的熱量、動量和物質交換過程，海洋與大氣的大。中尺度相互作用和中、長期的海況及氣候變遷規(guī)律，海上天氣過程和現象，特別是危險性天氣過程的預報。

海洋聲學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，及在海洋探測和海洋開發(fā)中的應用的學科，其主要研究內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、海洋水層中的聲學探測。海底聲學特性和海底聲學勘探等等。

海洋電磁學主要研究海洋的電磁特性，海洋中的天然電磁場和電磁波的運動形態(tài)及傳播規(guī)律，電磁波在海洋探測和通信及海洋開發(fā)中的應用。

海洋光學的研究內容，在基礎研究方面主要是海洋輻射傳遞過程的研究，以及海面光輻射、水中能見度、海水光學傳遞函數、激光與海水相互作用等研究；在應用研究方面主要是遙感、激光、水中照相工程等海洋探測方法和技術的研究。

河口海岸帶動力學主要研究河口地帶和海岸地帶中海水的各種運動規(guī)律，河口海岸帶地形地貌的變化及產生這些變化的動力因素。這些研究對海岸防護、港口建筑等都有密切的關系。

此外，隨著現代海洋資源開發(fā)和近岸海區(qū)海洋學研究的進一步發(fā)展，在海洋物理學的研究領域中，正在形成一些帶有區(qū)域性的派生學科，如陸架物理海洋學等等。

研究海洋中的物理現象及其變化規(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。海洋科學的重要分支，物理學的一部分。與大氣科學、海洋化學、海洋地質學、海洋生物學有密切關系。

海洋物理學的研究內容十分廣泛，而當前的研究課題可以大致歸納為如下幾個方面：

① 研究各種時－空尺度的海水運動及其相互關系，特別是大、中尺度的海洋-大氣相互作用及其時-空變異，從而建立相應的熱力學-流體力學模型,以提高氣象預報與海況預報的準確率。

② 研究各種海洋物理要素場的形成機制及其頻率－波數譜的結構，特別是海洋中的中尺度渦、內波、海水層結的細微結構和海洋湍流等。

③ 研究全球大洋和各分區(qū)的水團和環(huán)流結構。

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、無線電波、電磁場在海洋中的傳播規(guī)律和聲、光、電技術探測海洋(包括通信)的方法和技術。

⑥ 研究與海洋資源開發(fā)、環(huán)境保護、航海、漁業(yè)和海洋工程等有直接關系的海洋物理學問題，為人類的海上生產實踐服務。

主要理論潮汐理論1687年，英國I.牛頓根據他發(fā)現的2萬有引力定律，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說。1775年,法國P.-S.拉普拉斯建立了潮汐動力學理論，給出了考慮地轉偏向力影響的潮汐動力學方程組及在特定條件下的特解。1845年，英國G.B.艾里提出了潮汐的長渠波動理論,并對其進行了較深入的研究。1872～1879年,英國W.湯姆孫（開爾文）設計了潮汐分析和預報的機械裝置。1878～1891年,英國G.H.達爾文研究了地球潮汐,并提出了海洋潮汐分析和預報的調和分析方法。

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G.格林建立了小振幅波理論，并導出了以波長表示的相速公式。1847年，英國G.G.斯托克斯建立了有限振幅波理論和小振幅內波理論；后來在1876年又提出了與波動能量傳播有關的群速公式。

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)表了適用于旋轉地球上的環(huán)流定理。④ 海水狀態(tài)方程。

1857年，英國W.湯姆孫（開爾文）首先導出了深海海水的絕熱溫度梯度公式。

海洋聲學研究1826年，瑞士J.D.科拉東和法國J.C.F.斯圖謨在日內瓦測量了聲在水中的傳播速度。1912年，美國R.A.費森登設計并制造了一種新型的動圈換能器，從而制成第一臺水下發(fā)信和回聲探測設備。此后，又開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，英國法拉第發(fā)現了電磁感應現象，并于1832年指出，在地磁場中流動的海水，就像在磁場中運動的金屬導體一樣，也會產生感應電動勢；1851年，英國渥拉斯頓在橫過英吉利海峽的海底電纜上，檢測到與潮汐周期相同的電位變化，證實了法拉第的預言。隨后成立海洋物理的分支學科——海洋電磁學。

相關介紹研究內容海洋物理學的主要研究內容是：①研究海水各類運動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)測及預報提供依據；

②研究海洋中的聲、光、電現象和過程,以掌握其變化和機制;

③進行為上述兩項研究所必需的海洋觀測，并研究海洋探測的各種物理學方法，從而實現有計劃地在海上進行現場的專題觀測和實驗。通過這三方面的研究，形成了海洋物理學中一系列的分支學科。

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

①各種時-空尺度的海水運動規(guī)律。

②海洋物理要素場的形成機制及其頻率-波數譜的結構，特別是大洋中尺度渦、海洋內波、海水層結的細微結構和海洋湍流等。

③水團和環(huán)流結構，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、無線電波、電磁場在海洋中的傳播規(guī)律和技術應用。

⑥為海上生產服務的應用課題。

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

① 觀測技術和觀測方法的改進。海洋物理學的發(fā)展，在很大程度上取決于觀測技術和觀測方法?，F代海洋物理學的觀測技術，將朝著自動化、遙感化的方向發(fā)展。人們將廣泛利用人造衛(wèi)星進行全球性海洋物理方面的觀測，并建立國際間的計算機網絡，以儲存、交換和處理海洋觀測數據。這些將促進海洋物理學的進一步發(fā)展。

② 進一步研究海洋中物理現象的規(guī)律。海洋中發(fā)生的許多物理現象和過程，有一些已得到初步的研究。因為這些現象與人類生活環(huán)境密切相關，所以有必要進一步去探索其規(guī)律。例如,深入了解大尺度海-氣相互作用，將使人們能較準確地進行氣候預報，甚至可能控制局部地區(qū)的氣候。

③ 進一步為海洋資源開發(fā)服務。海洋開發(fā)將是未來海洋科學的發(fā)展方向。在海洋農牧化、捕撈、海洋石油勘探、海洋能源利用等開發(fā)活動中，將不斷對海洋物理學提出更高的要求。海洋物理學今后的發(fā)展，也將在很大程度上取決于海洋開發(fā)的需要。