海洋科學(xué)導(dǎo)論-第一章

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第一章緒論

§1.1地球科學(xué)

海洋是地球系統(tǒng)的重要組成部分，海洋科學(xué)屬于地球科學(xué)體系，為此，先對地球科學(xué)體系作一簡略介紹。

1.1.1地球科學(xué)體系

在蒼茫的宇宙之中，迄今只發(fā)覺地球上有人類繁衍生息，這別能別講是地球的獨特與幸運。地球科學(xué)算是以人類之家——地球為研究對象的科學(xué)體系。從別同角度對地球內(nèi)外別同圈層和范圍舉行研究而形成的各個學(xué)科，則是地球科學(xué)體系的分支和組成部分。由于地球科學(xué)系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，深入研究其某一部分的學(xué)科便別斷形成、進展，有的則逐漸分化而成為相對獨立的學(xué)科。與此并且，基于地球各部分之間存在的客觀聯(lián)系，特殊是別同學(xué)科或辦法的互相借鑒、交叉與滲透，遂別斷形成一些新的交叉或邊緣學(xué)科。如此一來，地球科學(xué)便形成了眾多的分支及相關(guān)學(xué)科，組成了一具復(fù)雜的科學(xué)體系。目前占優(yōu)勢的觀點以為，地球科學(xué)要緊包括地理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、大氣科學(xué)、海洋科學(xué)、水文科學(xué)、固體地球物理學(xué)，而環(huán)境科學(xué)和測繪學(xué)也與地球科學(xué)有著極為緊密的關(guān)系。

一、地理學(xué)

是研究地球表面自然現(xiàn)象、人文現(xiàn)象以及它們之間的相互關(guān)系和區(qū)域分異的學(xué)科。所謂地球表面，通常是指地球的大氣圈、巖石圈、水圈、生物圈和人類圈(又稱智能圈)相互交接的界面。廣義的地球表面，上自大氣圈對流層頂部，下至巖石圈沉積巖層底部，厚度可達(dá)30～35km。狹義的地球表面，則指大氣圈、巖石圈、水圈的交接面，上限離地面別超過100m，相當(dāng)于對流層近地面摩擦層下部——地面邊界層，下限為太陽輻射能可到達(dá)的深度；由于這一深度在陸地別超過地下30m，在海洋別超過水下200m，因此狹義的地球表面的厚度，普通別超過200～300m，但這卻正是生物和人類活動最為集中也最為活躍的場所。

地理學(xué)是一門既古老又年輕的學(xué)科，其漫長的進展歷程可分為三個階段，即古代地理學(xué)階段——自遠(yuǎn)古至18世紀(jì)末；近代地理學(xué)階段——自19世紀(jì)至20世紀(jì)50年代；現(xiàn)代地理學(xué)階段——自20世紀(jì)60年代至今。歷經(jīng)三個階段的連續(xù)和進展，地理學(xué)形成了眾多的分支，也組成了系統(tǒng)的體系。其要緊分支學(xué)科有自然地理學(xué)、人文地理學(xué)、歷史地理學(xué)、區(qū)域地理學(xué)、地圖學(xué)、地名學(xué)、方志學(xué)等；20世紀(jì)60年代以來，又形成了一些橫向的理論性、應(yīng)用性和辦法性分支學(xué)科，如理論地理學(xué)、應(yīng)用地理學(xué)和地理數(shù)量辦法等。

需要講明的是，許多研究地球表面某一圈層或某一圈層中部分要素而原屬于地理學(xué)范疇的學(xué)科，業(yè)已分出且進一步進展或與其它學(xué)科交叉滲透，從而形成了相對獨立的學(xué)科，如大氣科學(xué)、海洋科學(xué)和水文科學(xué)等。

二、地質(zhì)學(xué)

是對于地球的物質(zhì)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部特征、各圈層間的相互作用和演變歷史的知識體系。地質(zhì)學(xué)的研究對象，包括地球的內(nèi)、外圈層，礦物和巖石，地層和古生物，以及地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)作用等等。由于觀看和研究條件的限制，在現(xiàn)時期仍要緊是研究巖石圈，此外，也涉及大氣圈、水圈、生物圈以及巖石圈以下更深的部位，甚至也包括某些地外物質(zhì)。

從人類對地質(zhì)現(xiàn)象的觀看和描述歷史看，地質(zhì)學(xué)堪稱悠久，然而作為一門學(xué)科，其成熟則較晚。蓋因作為研究對象的地球是這樣龐大而又古老，從別同側(cè)面和范圍，以別同觀點和辦法，別同的學(xué)派和別同的階段，都曾有激烈而又反復(fù)的爭論。地質(zhì)學(xué)的進展，大致可歸結(jié)為五個階段，即從遠(yuǎn)古至1450年為地質(zhì)科學(xué)的萌芽階段；1450—1750年為地質(zhì)學(xué)的奠基階段；1750—1850年為地質(zhì)學(xué)的形成階段；1850—1910年為地質(zhì)學(xué)的進展階段；20世紀(jì)則迎來了地質(zhì)學(xué)新時期——現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)階段，地質(zhì)學(xué)已形成了包含眾多分支的理論體系。

地質(zhì)學(xué)的分支學(xué)科大體可分為兩類。第一類是探討基本領(lǐng)實和原理的基礎(chǔ)學(xué)科，由這些基礎(chǔ)學(xué)科與生產(chǎn)或其它學(xué)科結(jié)合而形成的學(xué)科，則構(gòu)成了地質(zhì)學(xué)的第二類分支學(xué)科。

第一類有礦物學(xué)、巖石學(xué)、礦床地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、動力地質(zhì)學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、地貌學(xué)、地質(zhì)力學(xué)、古生物學(xué)、地層學(xué)、古地理學(xué)、地質(zhì)年代學(xué)和區(qū)域地質(zhì)學(xué)等。此外，還有著眼于天體研究的行星地質(zhì)學(xué)、天文地質(zhì)學(xué)等等。著眼于地球深部的研究，則是剛才開拓的新領(lǐng)域。

第二類有水文地質(zhì)學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、環(huán)境界質(zhì)學(xué)、災(zāi)難地質(zhì)學(xué)、金屬礦產(chǎn)地質(zhì)學(xué)、非金屬礦產(chǎn)地質(zhì)學(xué)、石油地質(zhì)學(xué)、煤地質(zhì)學(xué)、找礦勘探地質(zhì)學(xué)和礦山地質(zhì)學(xué)等。

屬于廣義地質(zhì)學(xué)或地質(zhì)科學(xué)范疇的，還有地球物理勘探、地球化學(xué)勘查、探礦工程、測繪學(xué)、地質(zhì)資料的航空測量與遙感技術(shù)、數(shù)學(xué)處理辦法和計算機技術(shù)等。

三、固體地球物理學(xué)

地球物理學(xué)是地質(zhì)學(xué)與物理學(xué)之間的邊緣學(xué)科，它研究的是各種地球物理場和地球的物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、形成及其中發(fā)生的各種物理過程。廣義的地球物理學(xué)，除研究地球的固體部格外，還包括對水圈和大氣圈的研究。因為海洋科學(xué)、水文科學(xué)和大氣科學(xué)業(yè)已各自進展成為獨立學(xué)科，于是，致力于研究地球固體部分宏觀物理學(xué)現(xiàn)象的分支，便成為狹義的地球物理學(xué)，或直截了當(dāng)稱為固體地球物理學(xué)。

由于固體地球物理學(xué)的咨詢題也是綜合性的，因此別能徹底按物理學(xué)的部門來分類。于是，相應(yīng)于地下資源的勘探、自然災(zāi)難的預(yù)測、地球內(nèi)部的探究和地球信息等等的研究，即有勘探地球物理學(xué)(或應(yīng)用地球物理學(xué))和地震預(yù)測、地球內(nèi)部構(gòu)造、大地構(gòu)造等分支學(xué)科。

四、大氣科學(xué)

是研究大氣的各種現(xiàn)象及人類活動對它的妨礙，這些現(xiàn)象的演變規(guī)律，以及怎么利用這些規(guī)律為人類服務(wù)的一門綜合性學(xué)科。它的研究對象，要緊是覆蓋整個地球的大氣圈，此外，也研究太陽系其它行星的大氣。其研究領(lǐng)域差不多大大超出了通常所稱的“氣象學(xué)”的范圍，即大大擴充了傳統(tǒng)氣象學(xué)的研究內(nèi)容，并與其它學(xué)科之間有越來越多的相互滲透，因而從20世紀(jì)60年代以來，已普遍采納“大氣科學(xué)”之稱謂。

大氣科學(xué)也是一門既古老而又年青的學(xué)科。自從人類文明的開始，就有了古代氣象經(jīng)驗和知識的積存，直到16世紀(jì)這段時刻，屬于大氣科學(xué)的萌芽階段。17世紀(jì)至19世紀(jì)，是大氣科學(xué)在物理學(xué)基礎(chǔ)上開始建立的階段。19世紀(jì)至20世紀(jì)40年代，是大氣科學(xué)要緊分支學(xué)科的形成階段。20世紀(jì)50年代往后，則迎來了新技術(shù)促進大氣科學(xué)迅速進展的新階段。

大氣科學(xué)有眾多分支學(xué)科和廣泛的研究內(nèi)容：大氣物理學(xué)、動力氣象學(xué)、天氣學(xué)、氣候?qū)W、應(yīng)用氣象學(xué)、大氣化學(xué)、大氣探測和人工妨礙天氣等。

五、海洋科學(xué)參見1.1.2及§1.2和§1.3。

六、水文科學(xué)

是對于地球上水的起源、存在、分布、循環(huán)、運動等變化規(guī)律和運用這些規(guī)律為人類服務(wù)的知識體系。水文科學(xué)研究的對象，包括從陸地表面的水到地下的水，廣義地講，也包括從大氣中的水到海洋中的水，以及對水圈同大氣圈、巖石圈和生物圈等地球自然圈層的相互關(guān)系的研究?，F(xiàn)代水文科學(xué)還重視研究水資源的利用和人類活動對自然環(huán)境的反饋效應(yīng)。

水文科學(xué)的進展可分為四個階段。從遠(yuǎn)古至公元1400年，為水文科學(xué)的萌芽階段。此后至1900年，為水文科學(xué)的奠基階段。1900—1950年，為應(yīng)用水文學(xué)興起階段，它以直截了當(dāng)為生產(chǎn)和日子提供多方面的服務(wù)為特群，而成為近代水文

科學(xué)體系中最富生氣的一具分支。20世紀(jì)50年代往后，水文科學(xué)進入了新的進展階段——現(xiàn)代水文學(xué)階段。

傳統(tǒng)的水文科學(xué)，是按其研究對象劃分分支學(xué)科的。即要緊有河流水文學(xué)，湖泊水文學(xué)，沼澤水文學(xué)，冰川水文學(xué)，雪水文學(xué)，水文氣象學(xué)，地下水文學(xué)，區(qū)域水文學(xué)和海洋水文學(xué)。這些學(xué)科又通稱為一般水文學(xué)或水文學(xué)。與之對應(yīng)的則是應(yīng)用水文學(xué)，它要緊包括工程水文學(xué)，農(nóng)業(yè)水文學(xué)，森林水文學(xué)，城市水文學(xué)，醫(yī)療(衛(wèi)生)水文學(xué)等等。新技術(shù)的應(yīng)用也促進并形成了一些新分支學(xué)科，例如遙感水文學(xué)，同位素水文學(xué)，隨機水文學(xué)等等。

需要講明的是，以陸地上的水為研究對象的陸地水文學(xué)，是水文科學(xué)的要緊組成部分。因為以海洋中的水為研究對象的海洋水文學(xué)，已歸屬海洋科學(xué)之中，而對大氣中的水的研究，至今還沒有形成徹底獨立的學(xué)科。

七、相關(guān)學(xué)科

與地球科學(xué)密切聯(lián)系的學(xué)科中，僅就其研究對象和涉及的范圍而言，當(dāng)首推環(huán)境科學(xué)及測繪學(xué)，因為它們與地球科學(xué)最為相近也最為緊密。

(一)環(huán)境科學(xué)

是在現(xiàn)代社會經(jīng)濟和科學(xué)進展過程中形成的一門新興的綜合性科學(xué)。環(huán)境科學(xué)研究的對象——環(huán)境，是對以人類為主體的外部世界而言的，即人類賴以生存和進展的物質(zhì)條件的綜合體，它包括自然環(huán)境和社會環(huán)境。就自然環(huán)境而言，與地球科學(xué)研究的對象是相合的。就環(huán)境科學(xué)的分支而言，其“環(huán)境界學(xué)”分支，不管就其稱謂依然研究對象，顯然應(yīng)屬于地球科學(xué)的范疇；其它的分支，有的也與地球科學(xué)有著相當(dāng)緊密的聯(lián)系。因此，有點學(xué)者以為環(huán)境科學(xué)應(yīng)屬于地球科學(xué)的范疇。

環(huán)境科學(xué)的分支學(xué)科，屬自然科學(xué)方面的有環(huán)境界學(xué)、環(huán)境生物學(xué)、環(huán)境化學(xué)、環(huán)境物理學(xué)、環(huán)境醫(yī)學(xué)和環(huán)境工程學(xué)；屬于社會科學(xué)方面的有環(huán)境治理學(xué)、環(huán)境經(jīng)濟、環(huán)境法學(xué)等。

(二)測繪學(xué)

測繪學(xué)的任務(wù)在于測定地球形狀、重力場和地面點的幾何位置，直到測繪各種類型的地圖。它既可為地球科學(xué)和空間科學(xué)提供有關(guān)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地球動態(tài)及其外部重力場等方面的信息，又可為國家經(jīng)濟建設(shè)和國防建設(shè)提供所需的珍貴資料，例如，有關(guān)地球表面自然形態(tài)和人工設(shè)施的幾何分布以及多種社會信息和自然信息的地理分布等等。

早在公元前3世紀(jì)，就已開始孕育了作為測繪學(xué)基礎(chǔ)的大地測量學(xué)。它的進展，記憶了幾何大地測量學(xué)和物理大地測量學(xué)等時期，現(xiàn)已進入了衛(wèi)星大地測量學(xué)的新階段。工程測量學(xué)則是應(yīng)工程設(shè)計、施工、治理或某些特別要求而形成的分支學(xué)科。在測繪辦法和技術(shù)方面，19世紀(jì)仍是實地直截了當(dāng)測繪地形，再經(jīng)綜合

取舍而制圖。20世紀(jì)則進展形成了航空攝影測量學(xué)，創(chuàng)立了解析攝影測量理論，制成了解析測圖儀。如今已進展到航天遙感測量，并借助計算機實現(xiàn)了測圖的徹底自動化。地圖制圖學(xué)是研究將測繪結(jié)果變?yōu)槌善贰貓D的學(xué)咨詢，它研究的內(nèi)容包括地圖投影、地圖編制、地圖整飾和地圖印制等等。成品地圖的具體類型則甚多。

1.1.2海洋科學(xué)

海洋科學(xué)是研究地球上海洋的自然現(xiàn)象、性質(zhì)及其變化規(guī)律，以及和開辟與利用海洋有關(guān)的知識體系。它的研究對象，既有占地球表面近71％的海洋，其中包括海洋中的水以及溶解或懸浮于海水中的物質(zhì)，生存于海洋中的生物；也有海洋底邊界——海洋沉積和海底巖石圈，以及海洋側(cè)邊界——河口、海岸帶，還有海洋的上邊界——海面上的大氣邊界層等等。它的研究內(nèi)容，既有海水的運動規(guī)律、海洋中的物理、化學(xué)、生物、地質(zhì)過程，及其相互作用的基礎(chǔ)理論，也包括海洋資源開辟、利用以及有關(guān)海洋軍事活動所迫切需要的應(yīng)用研究。這些研究與力學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)以及大氣科學(xué)、水文科學(xué)等均有緊密關(guān)系，而海洋環(huán)境愛護和污染監(jiān)測與管理，還涉及環(huán)境科學(xué)、治理科學(xué)和法學(xué)等等。世界大洋既浩瀚又互相連通，從而具有統(tǒng)一性與整體性，海洋中各種自然過程相互作用及反饋的復(fù)雜性，人為外加妨礙的日趨多樣性，要緊研究辦法和手段的相互借鑒相輔而成的共同性等等，促使海洋科學(xué)進展形成為一具綜合性非常強的科學(xué)體系。

一、海洋科學(xué)研究的對象及特點

海洋科學(xué)研究的對象是世界海洋及與之緊密相關(guān)聯(lián)的大氣圈、巖石圈、生物圈。它們至少有如下的明顯特點。

首先是特別性與復(fù)雜性。在太陽系中，除地球之外，尚未發(fā)覺其它星球上有海洋。全球海洋的總面積約3.6×108km2，是陸地面積的2.5倍。在總體積13.7×108km3的海水中，水占96.5％。水與其它液態(tài)物質(zhì)相比，具有許多獨特的物理性質(zhì)，如極大的比熱容、介電常數(shù)和溶解能力，極小的粘滯性和壓縮性等。海水由于溶解了多種物質(zhì)，性質(zhì)因而更特別，這別僅妨礙著海水自身的理化性質(zhì)，而且導(dǎo)致海洋生物與陸地生物的諸多迥異。陸地生物幾乎集中棲息于地表上下數(shù)十米的范圍內(nèi)，海洋生物的分布則從海面到海底，范圍可達(dá)1萬米。海洋中的近20萬種動物、1萬多種植物，還有細(xì)菌和真菌等，組成了一具特別的海洋食物網(wǎng)。再加上與之有關(guān)的非生命環(huán)境，則形成了一具有機界與無機界相互作用與聯(lián)系的復(fù)雜系統(tǒng)——海洋生態(tài)系統(tǒng)。

其次，作為一具物理系統(tǒng)，海洋中水—汽—冰三態(tài)的轉(zhuǎn)化無時無刻別在舉行，這也是在其它星球上所未發(fā)覺的。海洋每年蒸發(fā)約44×108t淡水，可使大氣水

分10～15天完成一次更新，勢必妨礙海水密度等諸多物理性質(zhì)的分布與變化，并進而制約海水的運動以及海洋水團的形成與長消。在固結(jié)于旋轉(zhuǎn)地球坐標(biāo)系中來觀看，海水的運動還受制于海面風(fēng)應(yīng)力、天體引力、重力和地球自轉(zhuǎn)偏向力等。諸這樣類各種因素的共同作用，必定導(dǎo)致海洋中的各種物理過程更趨復(fù)雜，即別僅有力學(xué)、熱學(xué)等物理類型，而且也有大、中、小各種空偶爾時刻特征尺度的過程。然而其中的運動過程，則具有特別的重要性，因為海水無時無刻別在運動著。

第三，海洋作為一具自然系統(tǒng)，具有多層次耦合的特點。地球海洋充滿了各種各樣的矛盾，如海陸分布的別均勻、海洋的連通與阻隔。海洋水平尺度之大逾數(shù)萬千米，而鉛直向尺度之小，平均水深惟獨3795m，兩者差不實為懸殊。其它矛盾諸如蒸發(fā)與落水，結(jié)冰與融冰，海水的增溫與落溫，下沉與上升，物質(zhì)的溶解與析出，沉落與懸浮，淤積與沖刷，海侵與海退，潮位的漲與降，波紋的生與消，大陸的裂離與聚合，大洋地殼的擴張與潛沒，海洋生態(tài)系平衡的維系與破壞等等。它們相反而相成，共同組成了那個復(fù)雜的統(tǒng)一體。固然，那個統(tǒng)一體能夠分成許多子系統(tǒng)，而許多子系統(tǒng)之間，如海洋與大氣，海水與海岸、海底，海洋與生物及化學(xué)過程等等，大都有相互耦合關(guān)系，同時與全球構(gòu)造運動以及某些天文因素等緊密相關(guān)。這些自然過程經(jīng)過各種形式的能量或物質(zhì)循環(huán)，相互妨礙和制約，從而結(jié)合在一起構(gòu)成了一具全球規(guī)模的、多層次的復(fù)雜的海洋自然系統(tǒng)。海洋科學(xué)的任務(wù)，算是借助現(xiàn)場觀測、物理實驗和數(shù)值實驗手段，經(jīng)過分析、綜合、歸納、演繹及科學(xué)抽象等辦法，研究這一系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，以便認(rèn)識海洋，揭示規(guī)律，既可使之服務(wù)于人類，又能保證可持續(xù)進展。

海洋科學(xué)研究也有其顯著的特點。首先，它明顯地依靠于直截了當(dāng)?shù)挠^測。這些觀測應(yīng)該是在自然條件下舉行長期的，且最好是精密打算的、延續(xù)的、系統(tǒng)而多層次的、有區(qū)域代表性的海洋考察。直截了當(dāng)觀測的資料既為實驗研究和數(shù)學(xué)研究的模式提供可靠的借鑒，也可對實驗和數(shù)學(xué)辦法研究的結(jié)果予以驗證。其實，使用先進的研究船、測試儀器和技術(shù)設(shè)施所舉行的直截了當(dāng)觀測，的確推動了海洋科學(xué)