第二章　海水的基本性质

第一节　海水的状态

海水有三种物理状态，即液态海水、气态海雾和固态海冰，其中全球数量最大的是液态海水（13.7亿km3）。本节简要介绍海水的后两种状态。

一、海雾

海雾的形成有一定条件，海水蒸发使空气中的水蒸气达到饱和状态便会出现海雾。目前，全球有三个海雾中心区，分别是以中高纬度大西洋纽芬兰岛为中心、以北太平洋千岛群岛为中心和以南印度洋爱德华王子群岛为中心。其次是大洋东岸低纬度信风带上游，如太平洋的加利福尼亚外海和秘鲁外海、大西洋东岸的加那利群岛以南海域和纳米比亚外海。我国渤海海雾主要出现在山东半岛和辽东半岛水域，黄海全海区基本都有海雾，东海海雾主要出现在我国闽、浙沿岸，南海的海雾只出现在中国沿岸。其中山东半岛东岸、朝鲜半岛西岸和舟山群岛为三个海雾中心。雾期有变化，南海始于1月中旬，雾期3个月；台湾海峡始于2月中旬，雾期4个月；东海始于3月，雾期4～5个月；黄海、渤海始于3月中旬，雾期5个月。雾区随纬度增高，面积有所扩大，雾期随之延长。

二、海冰

由海水冻结而成的冰称为海冰。世界大洋约有3%～4%的面积被海冰覆盖，对船舶航行、海底采矿及极地海洋考察等形成严重障碍，甚至造成灾害。

固态海冰主要集中在南极洲和北冰洋等高纬度地区。北冰洋海冰呈现季节性变化，冰界以3—4月最大，8—9月最小，北冰洋几乎全为冰所覆盖，多为3～4m厚的“多年冰”。南极洲是全球最大的冰库，全球85%的冰集中于此，南极海区多2～3m厚的“冬冰”，冰区以9月最大，为18.8×106 km2，3月最小，为2.6×106 km2。我国渤海和黄海北部，每年冬季有不同程度结冰，冰期约3个月，冰厚20～40cm，大多数为海上浮冰，对航运和海洋资源开发影响不大，但在个别异常严寒的冬季（如1936年，1969年），渤海出现大量海冰，冰封了一些港口和航道。1969年冬，浮冰使渤海一石油钻井平台倾翻。又如1912年4月14日，英国建造的“泰坦尼克”号巨型客轮在北大西洋触冰沉没，造成1503人丧生。

（一）海冰的形成条件及过程

海冰形成的必要条件是海水温度降至冰点并继续失热、相对冰点稍有过冷却现象并有凝结核存在。

海水最大密度温度随盐度的增大而降低的速率比其冰点随盐度增大而降低的速率快，当盐度低于24.695时，结冰情况与淡水相同；当盐度高于24.695时（海水盐度通常如此），海水冰点高于最大密度温度，因此，即使海面降至冰点，但由于增密所引起的对流混合仍不停止，因此只有当对流混合层的温度同时到达冰点时，海水才会开始结冰。所以海水结冰可以从海面至对流可达深度内同时开始。也正因为如此，海冰一旦形成，便会浮上海面，形成很厚的冰层。

海水的结冰，主要是纯水的冻结，会将盐分大部排出冰外，而增大了冰下海水的盐度，加强了冰下海水的对流和进一步降低了冰点，又兼冰层阻碍了其下海水热量的散失，因而大大地减缓了冰下海水继续冻结的速度。

（二）海冰的分类

1.按结冰过程的发展阶段划分

（1）初生冰：最初形成的海冰，都是针状或薄片状的细小冰晶；大量冰晶凝结，聚集形成黏糊状或海绵状冰，在温度接近冰点的海面上降雪，可不融化而直接形成黏糊状冰。在波动的海面上，结冰过程比较缓慢，但形成的冰比较坚韧，冻结成所谓莲叶冰。

（2）尼罗冰：初生冰继续增长，冻结成厚度10cm左右有弹性的薄冰层，在外力的作用下，易弯曲，易被折碎成长方形冰块。

（3）饼状冰：破碎的薄冰片，在外力的作用下互相碰撞、挤压，边缘上升，形成直径为30cm～3m，厚度在10cm左右的圆形冰盘。在平静的海面上，也可由初生冰直接形成。

（4）初期冰：由尼罗冰或冰饼直接冻结一起而形成厚约10～30cm的冰层。多呈灰白色。

（5）一年冰：由初期冰发展而成的厚冰，厚度为30cm～3m。时间不超过一个冬季。

（6）老年冰：至少经过一个夏季而未融化的冰。其特征是表面比一年冰平滑。

2.按海冰的运动状态划分

（1）固定冰：是指与海岸、岛屿或海底冻结在一起的冰。当潮位变化时，能随之发生升降运动。其宽度可从海岸向外延伸数米甚至数百千米。海面以上高于2m的固定冰称为冰架；而附在海岸上狭窄的固定冰带，不能随潮汐升降，是固定冰流走的残留部分，称为冰脚。搁浅冰也是固定冰的一种。

（2）流冰（浮冰）：自由浮在海面上，能随风、流漂移的冰。它可由大小不一、厚度各异的冰块形成，但由大陆冰川或冰架断裂后滑入海洋且高出海面5m以上的巨大冰体不在其列。

流冰面积小于海面1/10～1/8者，可以自由航行的海区称为开阔水面；当没有流冰，即使出现冰山也称为无冰区；密度4/10～6/10者称为稀疏流冰，流冰一般不连接；密度7/10以上称为密集（接）流冰。在某些条件下，例如流冰搁浅相互挤压可形成冰脊或冰丘，有时高达20余m。

（三）海冰的分布

海冰和冰山是高纬海区特有的海洋水文现象。北冰洋终年被海冰覆盖，覆冰面积每年3—4月最大，约占北半球面积的5%；8—9月最小，约为最大覆冰面积的3/4；多年冰的厚度一般为3～4m。流冰主要绕洋盆边缘运动，其冰界线的平均位置约在58°N。格陵兰是北半球主要的冰山发源地，每年约有7500座冰山由此进入海洋，仅随拉布拉多寒流进入大西洋的就有388座/年，其中约5%到达48°N，0.5%可达42°N。冰山的平均界限为40°N。个别冰山曾穿过湾流抵31°N海域。在北冰洋边缘的附属海，逐有白令海、鄂霍茨克海、日本海、波罗的海以及中国的渤海和黄海每年冬季都有海冰出现。

南极大陆是世界上最大的天然冰库，周围海域终年被冰覆盖，暖季（3—4月）覆冰面积为（2～4）×106 km2，寒季（9月）达（18～20）×106 km2。南极大陆周围为固定冰架，一年冰的厚度多为1～2m；在南太平洋和印度洋流冰界分别在50°～55°S和45°～55°S之间，南大西洋则更偏北，在43°～55°S之间。南大洋海域经常有22万座冰山在海上游弋，曾观测到长335km、宽97km的大冰山。南大洋中冰山的平均寿命为13年，是北半球冰山平均寿命的4倍多。

冰山和流冰的漂移方向主要受风和海流共同制约。无风时，其漂移方向与速率大致与海流相同；单纯由风引起的漂移速度约为风速的1/50～1/40；方向则偏风矢量之左（南半球）或右方（北半球）；在强潮流区，主要受潮流制约。

（四）海冰的物理性质

1.海冰的盐度

海冰的盐度是指其融化后海水的盐度，一般为3～7左右。

海水结冰时，是其中的水冻结，而将其中的盐分排挤出来，部分来不及流走的盐分以卤汁的形式被包围在冰晶之间的空隙里形成“盐泡”。此外，海水结冰时，还将来不及逸出的气体包围在冰晶之间，形成“气泡”。因此，海冰实际上是淡水冰晶、卤汁和气泡的混合物。

海冰盐度的高低取决于冻结前海水的盐度、冻结的速度和冰龄等因素。冻结前海水的盐度越高，海冰的盐度可能也越高。在南极大陆附近海域测得的海冰盐度高达22～23。结冰时气温越低，结冰速度越快，来不及流出而被包围进冰晶中的卤汁就越多，海冰的盐度自然要大。在冰层中，由于下层结冰的速度比上层要慢，故盐度随深度的加大而降低。当海冰经过夏季时，冰面融化也会使冰中卤汁流出，导致盐度降低，在极地的多年老冰中，盐度几乎为零。

2.海冰的密度

纯水冰0℃时的密度一般为917kg/m3，海冰中因为含有气泡，密度一般低于此值，新冰的密度大致为914～915kg/m3。冰龄越长，由于冰中卤汁渗出，密度则越小。夏末时的海冰密度可降至860kg/m3左右。由于海冰密度比海水小，所以它总是浮在海面上。

3.海冰的热性质和其他物理性质

海冰的比热容比纯水冰大，且随盐度的增高而增大。纯水冰的比热容受温度的影响不大，而海冰则随温度的降低有所降低。在低温时，由于其含卤汁少，因此随温度和盐度的变化都不大，接近于纯水冰的比热。但在高温时，特别在冰点附近（－2℃），由于海冰中的卤水随温度的升降有相变，即降温时卤水中的纯水结冰析出，升温时冰融化进入卤水之中，从而使其比热容分别有所减小和增大。其减小和增大值因其盐度而有极大差异，低盐时其比热容小，而高盐时其比热容将比纯水冰大数倍，甚至十几倍。

海冰的融解潜热也比纯水冰的大。

海冰的热传导系数比纯水冰小，因为海冰中含有气泡，而空气的热传导系数是很小的。海冰的热传导系数略大于海水的分子热传导系数，因而海冰限制了海洋向大气的热量输送，而且也使海洋的蒸发失热大为减少，从而形成了海洋的保护层。

由于海冰上部的空隙比下层的空隙多，所以其热导系数也随深度，即由冰面向下的厚度而增大，超过1m的海冰其热传导系数就与纯水冰相差不大，在表面附近约为纯水冰的1/3左右。

海冰的热膨胀系数随海冰的温度和盐度而变化。对低盐海冰，随着温度的降低，它开始是膨胀，继之变为收缩。由膨胀变为收缩的临界温度值随海冰盐度的增加而降低。对于高盐海冰，随温度降低始终是膨胀的，但膨胀系数越来越小。

海冰的抗压强度约为纯水冰的3/4，这显然是因其存在许多空隙造成的。

海冰对太阳辐射的反射率远比海水的大，海水的反射率平均只有0.07，而海冰可高达0.5～0.7。由于海冰的覆盖面积比陆冰还大，故其反射的能量无论对海洋自身或者气候状况的影响都是不可忽视的。