海洋物理學(xué)發(fā)展簡史

海洋物理學(xué)發(fā)展簡史物理001班邢玉春海洋物理學(xué)是以物理學(xué)的理論、技術(shù)和方法，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、巖圈和生物圈的相互作用的科學(xué)。它是海洋科學(xué)的一個重要分支，與大氣科學(xué)、海洋化學(xué)、海洋地質(zhì)學(xué)、海洋生物學(xué)有密切的關(guān)系，在海洋運(yùn)輸、資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、軍事活動、海岸設(shè)施和海底工程等方面有重要的應(yīng)用。海洋物理學(xué)作為海洋科學(xué)的一個獨(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)的萌芽時代。海洋物理學(xué)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(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，但是專門的海洋考察則始自19世紀(jì)。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(jì)末至20世紀(jì)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(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)許多專門的海洋考察活動，內(nèi)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(nèi)基"號的地磁觀測，瑞典"信天翁"號對三大洋赤道無風(fēng)帶的深海考察等，都從不同的方面促進(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)家曾對海洋中的某些物理現(xiàn)象進(jìn)行過研究，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，英國牛頓根據(jù)他發(fā)現(xiàn)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(xué)說；1775年，法國拉普拉斯建立了潮汐動力學(xué)理淪，給出了考慮地轉(zhuǎn)偏向力影響的潮汐動力學(xué)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(jìn)行了較深入的研究；1872～1879年，英國湯姆遜(開爾文)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，英國格林建立了小振幅波理論，并導(dǎo)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(nèi)波理論，后來在1876年又提出了與波動能量傳播有關(guān)的群速公式。1857年，英國湯姆遜(開爾文)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，瑞士科拉東和法國斯圖謨在日內(nèi)瓦測量了聲在水中的傳播速度；1912年，美國費(fèi)森登設(shè)計(jì)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(shè)備。此后，又開始了聲在海洋中的傳播規(guī)律的研究。在海洋電磁理論方面。1831年，英國法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并于1832年指出，在地磁場中流動的海水，就像在磁場中運(yùn)動的金屬導(dǎo)體一樣，也會產(chǎn)生感應(yīng)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(shí)了法拉第的預(yù)言。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)入了一個新的發(fā)展階段。這一階段的主要標(biāo)志是，應(yīng)用流體動力學(xué)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(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"動力計(jì)算"方法。1901年和1905年，瑞典?？寺鼘γ绹镌?855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，從而建立了風(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)要素的觀測實(shí)驗(yàn)，不斷地向前發(fā)展。20世紀(jì)60年代以來，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)測技術(shù)和研究設(shè)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(tǒng)相繼建立，以浮標(biāo)陣為主體的海上現(xiàn)場對測試驗(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，沿著理論和觀測實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合的途徑向前發(fā)展。海洋物理學(xué)基本內(nèi)容海洋物理學(xué)的主要研究海水各類運(yùn)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(yù)報(bào)提供依據(jù)；研究海洋中的聲、光、電現(xiàn)象和過程，以掌握其變化和機(jī)制；研究海洋探測的各種物理學(xué)方法，從而實(shí)現(xiàn)有計(jì)劃地在海上進(jìn)行現(xiàn)場的專題觀測和實(shí)驗(yàn)。通過這三方面的研究，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)、海洋電磁學(xué)和河口海岸帶動力學(xué)等等。物理海洋學(xué)是現(xiàn)代海洋物理學(xué)中最早發(fā)展起來的一個分支學(xué)科，其研究內(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力學(xué)和熱力學(xué)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(shù)的分布和變化，海洋中各種類型和各種時空尺度的海水運(yùn)動(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、動量和物質(zhì)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(xiàn)象，特別是危險(xiǎn)性天氣過程的預(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，及在海洋探測和海洋開發(fā)中的應(yīng)用的學(xué)科，其主要研究內(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。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和電磁波的運(yùn)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(yīng)用。海洋光學(xué)的研究內(nèi)容，在基礎(chǔ)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(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方法和技術(shù)的研究河口海岸帶動力學(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)生這些變化的動力因素。這些研究對海岸防護(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。海洋物理學(xué)的發(fā)展，在很大程度上取決于觀測技術(shù)和觀測方法?，F(xiàn)代海洋物理學(xué)的觀測技術(shù)，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(jìn)行全球性海洋物理方面的觀測，并建立國際間的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，以儲存、交換和處理海洋觀測數(shù)據(jù)。這些將促進(jìn)海洋物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。海洋開發(fā)將是未來海洋科學(xué)的發(fā)展方向。在海洋農(nóng)牧化、捕撈、海洋石油勘探、海洋能源利用等開發(fā)活動中，將不斷對海洋物理學(xué)提出更高的要求。物理海洋學(xué)是運(yùn)用物理學(xué)的觀點(diǎn)和方法研究海洋中的力場、熱鹽結(jié)構(gòu)、以及相關(guān)的各種機(jī)械運(yùn)動的時空變化，并研究海洋中的物質(zhì)交換、動量交換、能量的交換和轉(zhuǎn)換的學(xué)科，是海洋物理學(xué)的一個分支學(xué)科。物理海洋學(xué)所研究的對象，是人類和生物賴以生存和生活的海洋中的物理環(huán)境。這種環(huán)境中的物理過程，與地球上的氣候和天氣的形成和變化、海洋生物的生存和生活、海洋中物質(zhì)和熱量的輸送、海岸和海底的侵蝕和變化，以及海洋的交通運(yùn)輸和軍事活動等，都有密切的關(guān)系。在物理海洋學(xué)的理論研究中，主要是運(yùn)用流體動力學(xué)和熱力學(xué)的原理，對一些理想化的或經(jīng)過簡化的問題，通過解析求解，進(jìn)行模式化的研究；對于比較復(fù)雜的問題，則借助于電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬求解。在解析的和數(shù)值的求解手段以外，還可通過模型試驗(yàn)進(jìn)行研究。由于海洋中的物理現(xiàn)象和過程，具有隨機(jī)性，故常應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)和隨機(jī)過程的理論，對現(xiàn)場觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。物理海洋學(xué)所研究的問題，可概括為海洋熱鹽結(jié)構(gòu)、海水宏觀運(yùn)動、海-氣相互作用、海洋湍流四個主要方面。海水熱鹽結(jié)構(gòu)是研究海洋水體的熱平衡和物質(zhì)平衡、溫度、鹽度、壓力、密度等的時空變化、鉛直斷面上的溫度和密度分布、海洋中的海水混合、擴(kuò)散和層結(jié)、鋒面和躍層的形成、溫度-鹽度曲線和水團(tuán)的生成、水團(tuán)的邊界(鋒面)和混合、暖水和冷水間成篦齒狀的水平交錯排列、海冰的成因和消長，海水的絕熱壓縮、絕熱膨脹和位溫，海洋中等熵面的形成及其分布等。海水宏觀運(yùn)動是研究重力場中海水的非周期性和周期性運(yùn)動，一般又分為海洋環(huán)流、海洋波動和海洋潮汐三種，這是物理海洋學(xué)的主要研究對象。海洋環(huán)流是研究風(fēng)引起的海流和密度分布不均勻所產(chǎn)生的密度流、大洋環(huán)流中流旋的生成和分布、大洋環(huán)流西向強(qiáng)化、海流的彎曲和變異、近赤道地區(qū)的流系結(jié)構(gòu)、南極繞極流，大洋熱鹽環(huán)流，深海環(huán)流和與主躍層的關(guān)系，海水的輻散和輻合運(yùn)動與升降流及朗繆爾環(huán)流等的關(guān)系，中尺度渦及其能量轉(zhuǎn)換，冰漂流等特殊的流動現(xiàn)象，海洋對風(fēng)應(yīng)力等的反應(yīng)，以及近岸海區(qū)的環(huán)流等等；海洋波動是研究海浪的生成和消長，風(fēng)浪中的能量，風(fēng)速、風(fēng)區(qū)、風(fēng)時與海浪要素之間的關(guān)系，海浪譜及其源函數(shù)的結(jié)構(gòu)，波-波非線性相互作用中的能量轉(zhuǎn)移，海浪的折射、繞射和反射，海洋近岸波及其相應(yīng)的沿岸流和高岸流，海洋中的羅斯比波、陸架攔獲波和邊緣波、海洋內(nèi)波、海嘯等等。海洋潮汐是研究引潮力、引潮勢和分潮之間的關(guān)系，潮汐靜力學(xué)理論和潮汐動力學(xué)理論，潮波方程及其數(shù)值解，潮汐分析和推算原理，海平面及其變化，風(fēng)暴潮，港灣潮汐余流，淺海潮波和海底摩擦對潮流的影響，河口區(qū)的潮汐混合，以及潮汐表的制作，各種特殊海域的潮汐，潮流、潮汐和風(fēng)暴潮的預(yù)報(bào)等。海-氣相互運(yùn)動是研究海-氣界面分子過程的動量、熱量、水汽和其他物質(zhì)的輸送，近海面湍流邊界層中的湍流能量方程，湍流的鉛直結(jié)構(gòu)，湍流邊界層中各種參量的確定及邊界層模式，大氣與海洋間的動量和能量的傳遞，及其與風(fēng)海流和風(fēng)浪生成的關(guān)系，大尺度和中尺度的運(yùn)動，及其相互作用與天氣預(yù)報(bào)及海況預(yù)報(bào)的關(guān)系，海洋對大氣的反饋?zhàn)饔脤θ虼髿猸h(huán)流及氣候變化的影響等。海洋湍流是研究在海洋的上混合層、內(nèi)層和近底邊界層中的湍流發(fā)生機(jī)制，風(fēng)生漂流和內(nèi)波場等流速鉛直梯度與湍流發(fā)生的關(guān)系，海洋湍流的譜結(jié)構(gòu)，湍流能量的轉(zhuǎn)換和守恒，海洋湍流的局地相似性，在低緯度和中緯度海域形成溫躍層時的表層水和下層水間的混合交換作用，以及由于雙擴(kuò)散等作用所導(dǎo)致的水溫階梯式分布和鹽指現(xiàn)象等海洋細(xì)微結(jié)構(gòu)。物理海洋學(xué)與海洋科學(xué)中的許多分支學(xué)科有著密切的關(guān)系，例如：在研究海洋中的熱鹽結(jié)構(gòu)、海流形成和熱鹽環(huán)流機(jī)制時，重要的是要了解海水的溫度和鹽度的分布和變化，從而了解海水密度的分布和變化，這就需要精確測定海水鹽度；要確定海洋中的地轉(zhuǎn)流無運(yùn)動面的位置時，有時還須參照海洋中溶解氧的分布和含氧量最小的位置。某些海洋生物，如海水中的浮游生物，或被海流攜至遠(yuǎn)方，或棲息在某種海流之中，它們有時可用作確定海流分布及其位置的指標(biāo)，因此物理海洋學(xué)的研究，也與生物海洋學(xué)發(fā)生聯(lián)系。海岸的形狀和海底的地形，會改變和影響海流的方向和速度，起著摩擦阻遏作用，還可導(dǎo)致海流不穩(wěn)定，正因?yàn)槿绱耍懠懿ê瓦吘壊ㄒ舶l(fā)生在近岸海域。然而海底摩擦的強(qiáng)弱和湍流邊界層的形成，都取決于海底沉積物的性質(zhì)和分布。海底沉積物可以隨海流遷移，故可以利用海洋沉積物的種類和來源，確定海流的來去動向。這些又都是物理海洋學(xué)和地質(zhì)海洋學(xué)之間的聯(lián)系。另外，海水的許多運(yùn)動，都是由風(fēng)驅(qū)動的，而且海洋對大氣有著重要的影響，這就使物理海洋學(xué)和海洋氣象學(xué)之間有密切的關(guān)系。海洋光學(xué)海洋光學(xué)是光學(xué)與海洋學(xué)之間的邊緣科學(xué)。它主要研究海洋的光學(xué)性質(zhì)、光輻射與海洋水體的相互作用、光在海洋中的傳播規(guī)律，以及和海洋激光探測、光學(xué)海洋遙感、海洋中光的信息傳遞等應(yīng)用技術(shù)有關(guān)的基礎(chǔ)研究。海洋光學(xué)的發(fā)展簡史早在19世紀(jì)初，就有人用透明度盤目測自然光在海中的鉛直衰減。不過直到19世紀(jì)末，海洋學(xué)家才開始注意研究海洋的光學(xué)性質(zhì)，并結(jié)合海洋初級生產(chǎn)力的研究，用光電方法測量海洋的輻照度。到了20世紀(jì)30年代，瑞典等國的科學(xué)家設(shè)計(jì)制造了測定海水的線性衰減系數(shù)、體積散射系數(shù)和光輻射場分布的海洋光學(xué)儀器，進(jìn)行了一系列現(xiàn)場測量。從第二次世界大戰(zhàn)后到20世紀(jì)60年代中期，是海洋光學(xué)的形成時期，人們研制了各種測定海洋水體光學(xué)性質(zhì)的海洋光學(xué)儀器，對各大洋光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了現(xiàn)場測量和調(diào)查。1947～1948年，瑞典科學(xué)家在環(huán)球深海調(diào)查中，首次將海洋光學(xué)調(diào)查列入海洋調(diào)查計(jì)劃，測量了海水中光的輻照度、衰減和散射等；1950～1952年，丹麥人在環(huán)球深海調(diào)查中，致力研究了重要海區(qū)的初級生產(chǎn)力和光輻照之間的關(guān)系；1957～1958年，在國際地球物理年的調(diào)查中，測量了北大西洋的水文要素和光學(xué)參數(shù)，并研究其相互的關(guān)系；美國普賴森多費(fèi)爾提出了比較系統(tǒng)的海洋光學(xué)理論，發(fā)展了海洋輻射傳遞理論；一些學(xué)者對水中能見度理論、海洋光學(xué)測量模型、光輻射場與海水固有光學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系，進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究。20世紀(jì)60年代中期以后，是海洋光學(xué)的發(fā)展階段。隨著近代光學(xué)、激光、計(jì)算機(jī)科學(xué)、光學(xué)遙感和海洋科學(xué)的發(fā)展，開拓了海洋光學(xué)研究的新領(lǐng)域。特別是結(jié)合信息傳遞的要求，理論上用蒙特-卡羅法定量地計(jì)算各種復(fù)雜模型的海洋輻射傳遞過程，使海洋輻射傳遞基礎(chǔ)研究日趨完善，并較好地解決了激光在水中的傳輸、海面向上光輻射與海水固有光學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系等問題。目前，海洋光學(xué)已發(fā)展成為一門內(nèi)容豐富、有相當(dāng)應(yīng)用價(jià)值的光學(xué)分支學(xué)科，使海洋光學(xué)從傳統(tǒng)的唯象研究轉(zhuǎn)入物理的和技術(shù)的研究。海洋光學(xué)的研究內(nèi)容海洋光學(xué)主要研究海洋水體對光輻射的散射、吸收、光譜等性質(zhì)及光輻射在海洋中的傳播規(guī)律。海水對光具有強(qiáng)散射和強(qiáng)吸收，其散射系數(shù)比大氣約高4～6個數(shù)量級。其散射函數(shù)前向性很強(qiáng)，海水的光譜透射分布主要決定于吸收。海中光傳播規(guī)律主要決定于多次散射，研究海中光傳播規(guī)律的海洋輻射傳遞理論是海洋光學(xué)的核心問題。已知海洋水體的散射函數(shù)和吸收系數(shù)，對海洋輻射傳遞方程求解，即可得到日光、人工光源和激光在海水中的傳播規(guī)律。反之，由輻射場確定海水基本性質(zhì)，是遙測海洋技術(shù)的基本方法。海洋光學(xué)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究主要包括水中對比度及圖像傳輸研究，海洋水體光學(xué)傳遞函數(shù)研究，激光與海洋水體相互作用研究和探測海洋的光學(xué)遙感模式研究等。激光與海洋水體的相互作用主要是研究海水激光熒光光譜、受激喇曼散射。海洋激光雷達(dá)所激起的海水激光熒光光譜是探測海水化學(xué)組分的基本遙測方法。海水受激喇曼散射隨溫度增高而紅移，這種物理現(xiàn)象是激光雷達(dá)遙測海洋表層溫度剖面的有效方法，精度可達(dá)±0.5攝氏度。利用多光譜遙感資料，根據(jù)海水中葉綠素強(qiáng)吸收光譜和透射光譜的比值，探測海洋葉綠素含量的方法稱為光譜比值法。根據(jù)海水光譜透射特性及淺水海底反射光反映在多光譜遙感信息的差異，可大面積獲取淺水水深的資料。河口泥沙分布、海區(qū)峰面運(yùn)動、水團(tuán)分布等都可由多光譜遙感信息經(jīng)過數(shù)據(jù)處理獲取。對海洋光學(xué)的開發(fā)研究也稱為海洋光學(xué)工程。60年代以來比較活躍的領(lǐng)域有：水下攝影系統(tǒng)，包括潛水員操縱的水下攝像系統(tǒng)、水下照相系統(tǒng)以及深潛球裝備的水下觀察系統(tǒng)；海洋探測激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括激光測深儀、激光熒光光譜儀、激光喇曼光譜儀等；海洋光學(xué)儀器，包括水中照度計(jì)、水中準(zhǔn)直光透射率計(jì)、水中光散射儀、水中分光光度計(jì)等。海洋光學(xué)與物理海洋學(xué)的研究密切相關(guān)。通過測定海水的光學(xué)性質(zhì)，為研究海流、上升流、海洋峰、水團(tuán)等海洋細(xì)微結(jié)構(gòu)提供了一種有效的手段；隨機(jī)海面的光學(xué)研究，為遙測海浪方向譜建立了物理模型，并為現(xiàn)場測定海浪要素提供了快速而又有效的手段。海洋生物初級生產(chǎn)力的研究和調(diào)查，與海中輻照度的分布、海水輻射能密度分布海中輻射能的貯存等有直接的關(guān)系。例如，探測海洋的光學(xué)遙感傳感器的波段、視場角和動態(tài)范圍等參數(shù)，都要根據(jù)海面光譜輻射的數(shù)據(jù)來確定。海洋光學(xué)的發(fā)展與近代光學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)，光電子學(xué)方法是海洋光學(xué)測量的主要手段。激光技術(shù)的發(fā)展，例如可調(diào)諧激光、水中新型藍(lán)-綠激光、高時間分辨率激光技術(shù)等，已成為海水激光光譜研究的重要手段，是發(fā)展海洋探測激光雷達(dá)的技術(shù)基礎(chǔ)。近代光學(xué)信息處理和信息傳遞理論，為海洋中光信息傳遞的研究及隨機(jī)量的統(tǒng)計(jì)分析研究奠定了基礎(chǔ)。在現(xiàn)代海洋光學(xué)的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面的研究中，還有不少課題有待于深入研究。例如，鑒于單色光輻射傳遞模型已不能滿足多光譜水色遙感的要求，必須進(jìn)一步研究海洋輻射傳遞的逆問題，尤其是淺海和表層光譜輻射傳遞、非均勻水體光譜輻射傳遞、海-氣系統(tǒng)光譜輻射傳遞逆問題的物理模型和計(jì)算方法；激光在水中單程的平衡態(tài)的傳輸過程的研究，已不能滿足激光雷達(dá)探測海洋的要求，必須深入研究窄光束反向多次散射的輻射傳遞，和非平衡態(tài)輻射傳遞模型及其計(jì)算方法。再如，傳統(tǒng)的船測方法已不能滿足近代海洋光學(xué)發(fā)展的要求，必須發(fā)展海洋光學(xué)參數(shù)的遙測方法，研究新的海洋光學(xué)測量模型，以發(fā)展新的測量技術(shù)和測量儀器。同時，應(yīng)著重加強(qiáng)應(yīng)用研究，在海洋光學(xué)中不斷引入近代光學(xué)方法和激光新技術(shù)，繼續(xù)開拓海洋光學(xué)在海洋開發(fā)、海洋要素的探測及海洋技術(shù)中的應(yīng)用。海洋光學(xué)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究不斷沿用現(xiàn)代光學(xué)方法，應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。海洋光學(xué)是許多學(xué)科的交叉點(diǎn)，其發(fā)展將與現(xiàn)代光學(xué)、海洋學(xué)、空間遙感技術(shù)、信息科學(xué)等密切相關(guān)。海洋光學(xué)所取得的成就及其發(fā)展，使它已成為一門新的光學(xué)分支學(xué)科。海洋聲學(xué)海洋聲學(xué)是研究聲波在海洋中傳播的規(guī)律，和利用聲波探測海洋的科學(xué)，是海洋學(xué)和聲學(xué)的邊緣學(xué)科。1826年，瑞士物理學(xué)家科拉東和法國數(shù)學(xué)家斯圖謨在日內(nèi)瓦湖測量聲在水中傳播的速度，開始了現(xiàn)代水聲學(xué)的研究。1911年，有人用炸藥筒作聲源，進(jìn)行了最初的水下回聲測探實(shí)驗(yàn)，并記錄到海底的回聲。1912年，美國科學(xué)家費(fèi)森登設(shè)計(jì)并制造的一種新型動圈換能器，是第一臺水下發(fā)信和回聲測探設(shè)備。第一次世界大戰(zhàn)中，由于潛艇在水下作戰(zhàn)的需要而研制出聲吶，從而發(fā)展了聲波在海洋中傳播的理論。在不同海區(qū)、不同季節(jié)和晝夜使用聲吶時，發(fā)現(xiàn)聲吶的作用距離與海洋水文要素、波浪、海流、內(nèi)波、海底地質(zhì)地貌、海洋環(huán)境噪聲和海中浮游生物等有密切關(guān)系。因此，20世紀(jì)50年代以后，逐漸形成了研究聲波在海洋中傳播的規(guī)律，和利用聲波探測研究海洋的新的學(xué)科分支--海洋聲學(xué)。此后，聲波被廣泛應(yīng)用于探測海底沉積物和地層結(jié)構(gòu)，海底的地形地貌，海水的流動，海水的溫度和流速的不均勻性，海水中各種物體如魚群、深海散射層、冰山和沉船，海面的波浪和水下的內(nèi)波等，并可用于臺風(fēng)和海嘯等自然災(zāi)害的預(yù)報(bào)。此外，它還用于水下導(dǎo)航、定位、信號傳遞和遙控等技術(shù)中。聲波能在海洋中遠(yuǎn)距離傳播，但在傳播的過程中，海水的溫度分布和鹽度分布、海面和海底的狀況、海水的運(yùn)動，海中包含的各種不均勻體如氣泡和生物等，都能產(chǎn)生很大的影響。海水由于受太陽輻射加熱和風(fēng)力攪拌等的影響，其溫度的垂直分布一般呈分層結(jié)構(gòu)，加上壓力的影響，使海洋中的聲速呈垂直分布。從聲速最低的地方發(fā)射的聲波，由于上下層的聲速不同而發(fā)生折射，反映聲波傳播途徑的聲線，總是彎向聲速最低的地方。大部分聲波在海水中經(jīng)過這樣的往復(fù)彎曲折射，而不與海面和海底接觸，故能量損失很小，這種現(xiàn)象稱為聲道現(xiàn)象，聲速最低的地方稱為聲道軸。低頻聲波在聲道中能傳播到很遠(yuǎn)的地方，例如一千克TNT炸藥的爆炸聲，能在聲道中傳播一萬公里以上，故可以利用聲道的這種特性，傳送失事的飛機(jī)和船只的呼救信號，監(jiān)測水下的地震、火山爆發(fā)和海嘯等。風(fēng)浪的攪拌，使表層海水形成等溫層。其中的靜壓力，使聲速隨深度的增加而略有增加。等溫層內(nèi)自聲源出發(fā)的聲線總是彎曲向上，經(jīng)海面反射而向前傳播，也可以傳播到較遠(yuǎn)的地方，稱為表面聲道。在無風(fēng)浪攪拌的條件下，表層海水經(jīng)日光照曬，往往出現(xiàn)上層的溫度和聲速都比下層高的情況，使聲速呈負(fù)梯度的垂直分布。在這種情況下，聲波傳播的曲線，總是彎曲向下，在聲能達(dá)不到的地方產(chǎn)生聲影區(qū)。另外，如果海比較淺，則聲線會碰到海底。由于海底的反射損失大，聲能衰減很大，因此不能傳播得很遠(yuǎn)。海底對聲波傳播的影響很大，所以聲在淺海中的傳播特征主要依賴于海底的反射本領(lǐng)。海底對聲波的反射損失，與海底物質(zhì)的密度、聲速和聲波的入射角有關(guān)。一般說來，海底的密度愈大，聲速愈高，反射損失愈小；聲波頻率愈高，海底的反射損失愈大。聲波在海水中傳播時，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)和粘滯性，使部分聲能被吸收而轉(zhuǎn)化為熱能。在聲波作用下，水分子的結(jié)構(gòu)有從比較松散變得比較緊密的弛豫過程，使海水對聲的吸收量增加。對頻率更低的聲波而言，其聲能的衰減是由于湍流引起的聲散射所造成的，海中的氣泡、海洋生物和懸浮體，都會散射和反射聲波。散射或反射系數(shù)與物體的大小、介質(zhì)和結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同的物體有不同的散射頻率響應(yīng)。海中存在由生物體構(gòu)成的、能強(qiáng)烈散射聲波的深海散射層，它們遍布各大洋，往往分成幾層，其深度隨晝夜和季節(jié)不同而變化，這反映了生物的趨光性。海底底質(zhì)的不均勻和不平整，也會增加聲波的散射。聲波受波動海面的反射，或者穿過溫度呈微觀不均勻的水團(tuán)時，其信號強(qiáng)度和相位都會發(fā)生起伏。海洋內(nèi)波對聲的傳播影響很大，會引起聲波大幅度的緩慢起伏。由于海面波浪、渦流、海洋生物發(fā)聲，水下火山爆發(fā)或地震，海水分子的熱運(yùn)動和航船來往等原因，使海洋中存在噪聲，它是聲吶的一種強(qiáng)干擾。利用海洋水文要素對聲傳播的影響，可以反推海洋的特性，這是海洋聲學(xué)的重要課題。海水中的溫度、鹽度、壓力和流速，都影響著海水中的聲速。聲波在海流中傳播時，順流則聲速增加，逆流則反之。利用這種現(xiàn)象，在兩定點(diǎn)之間相對發(fā)出聲信號，測量聲波到達(dá)的時間差，就可以求得海水的流速。在若干點(diǎn)之間進(jìn)行這種測量，可以監(jiān)視海洋中的中尺度渦等現(xiàn)象，這是聲學(xué)遙測的重要方法，稱為海洋聲學(xué)層析術(shù)。水中的懸浮體，隨著水流而運(yùn)動，故應(yīng)用聲學(xué)技術(shù)觀察這種散射體的運(yùn)動，就可以了解海水的運(yùn)動情況。利用這種方法，還可以觀察內(nèi)波的規(guī)律，了解沉積物的搬運(yùn)情況，也可以測量海水的流速。此外，利用聲波起伏規(guī)律來研究內(nèi)波譜的方法，已很受重視；利用深海散射層的散射頻率響應(yīng)，可以進(jìn)行深海生物的區(qū)系劃分，其結(jié)果和一般的區(qū)系劃分一致；利用魚類對聲波的散射和反射，可以探測魚群和了解魚類資源的分布。由波浪產(chǎn)生的500～5000赫的噪聲，與海面的風(fēng)級和海況有關(guān)。利用此頻率的噪聲，可以監(jiān)測海面的風(fēng)級和海況。利用海嘯產(chǎn)生的水下噪聲，可以預(yù)報(bào)海嘯。海洋生物發(fā)出的聲音，與其種類和生活狀態(tài)有關(guān)。監(jiān)聽這種聲音的特征以區(qū)分生物的種類，可以掌握其生活規(guī)律，為研究漁業(yè)資源提供信息。此外，有可能利用聲信號控制海洋生物的活動，以滿足人類的需要。在海洋開發(fā)中，聲技術(shù)是勘探海底唯一有效的手段，廣泛應(yīng)用的地震勘探儀便是聲技術(shù)應(yīng)用的一例。海底的界面不平整，底質(zhì)內(nèi)部的顆粒大小不一，以及分層和水千方向的不均勻性，都影響著聲波的散射和反射。使用高頻窄水平波束的測掃聲吶，可以得出海底凸出部分對聲波的強(qiáng)烈散射和凹下部分的聲陰影區(qū)所構(gòu)成的地貌聲圖。海底沉積物一般都是分層的。因各層的聲學(xué)特性不同，故可以利用聲學(xué)方法測定海底沉積物的分層情況和各層中的聲速。常用的方法有折射法和反射法，對于較淺的沉積層，也可以用淺地層剖面儀進(jìn)行測量。利用聲學(xué)遙感技術(shù)對海底的底質(zhì)進(jìn)行分類的工作，已得到迅速發(fā)展。它與最新的微電子學(xué)、微計(jì)算機(jī)和換能技術(shù)結(jié)合，廣泛用于水文、地質(zhì)、地貌和生物等領(lǐng)域的測量，并用于水下定位、導(dǎo)航、通信、遙控、遙測等各方面，在海洋調(diào)查和海洋開發(fā)中起著重要的作用。聲學(xué)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，需要更深入地研究聲波在海中的傳播規(guī)律，研究溫度、鹽度、風(fēng)浪、海流、內(nèi)波、海底類型和海中懸浮物等因素對聲波傳播的影響，以便更好地獲取和識別聲信號。聲波在深海中的傳播規(guī)律，已有系統(tǒng)的理論，但在淺海中傳播時，由于海底和水文條件的多變性，理論計(jì)算很困難，應(yīng)用了電子計(jì)算技術(shù)之后，一些相當(dāng)復(fù)雜的淺海傳播問題，已得到初步解決。海洋聲學(xué)的實(shí)驗(yàn)規(guī)模較大，除依靠調(diào)查船外，已大量采用浮標(biāo)和固定岸站來完成，有些實(shí)驗(yàn)因耗資過大，往往需要幾個國家聯(lián)合進(jìn)行。當(dāng)前利用電子計(jì)算機(jī)，把從發(fā)射到接收聲波的過程中的波形的變化，反推聲在海中傳播的規(guī)律，進(jìn)而判斷海洋媒質(zhì)的狀態(tài)，將是海洋聲學(xué)研究的一個新方向。此外，現(xiàn)代的微電子學(xué)、微計(jì)算機(jī)、信號處理技術(shù)和換能技術(shù)等的發(fā)展，都對海洋聲學(xué)的發(fā)展有重要的影響。海洋氣象學(xué)海洋氣象學(xué)是研究海上大氣的物理信息，以及海洋與大氣相互作用規(guī)律的學(xué)科。海洋氣象學(xué)既涉及大氣又涉及海洋，因此它是大氣科學(xué)和海洋科學(xué)共同研究的領(lǐng)域。由于地球表面的絕大部分為海洋所覆蓋，而海水又具有和陸地迥然不同的物理、化學(xué)性質(zhì)，這就決定了海洋在海洋氣象學(xué)研究中的重要地位。海洋氣象學(xué)與人類的生活和生產(chǎn)息息相關(guān)，它的早期發(fā)展淵源于航海事業(yè)的需要。遠(yuǎn)在公元前4～5世紀(jì)，希臘人就已利用地中海特有的季風(fēng)，往返于愛琴海和埃及之間。后來，不僅利用季風(fēng)張帆航海，而且把季風(fēng)和陸上的天氣變化聯(lián)系起來。15世紀(jì)末，哥倫布幾次橫渡大西洋時，注意到大西洋上信風(fēng)和海流的存在；17世紀(jì)中葉，瑞士基歇爾繪制全球海流圖，指出了大洋環(huán)流和信風(fēng)的關(guān)系；英國丹皮爾觀察太平洋臺風(fēng)，提出了臺風(fēng)是有靜穩(wěn)中心的旋轉(zhuǎn)性風(fēng)暴等見解。此后，他們整理了全球航海記錄，編寫出了有關(guān)海洋氣象的專書。到了18世紀(jì)，英國哈得來提出南北兩半球的信風(fēng)理論；19世紀(jì)初，英國海軍中將蒲福根據(jù)他長期航海的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出蒲氏風(fēng)級表；隨后美國莫里根據(jù)航海日志繪制了風(fēng)和海流圖，并寫出《海洋自然地理學(xué)》一書，專論海洋氣象問題，為海洋氣象學(xué)勾劃了初步輪廓。從19世紀(jì)中葉至20世紀(jì)中葉的約一百年的工作，奠定了海洋氣象學(xué)的基礎(chǔ)。1853年在布魯塞爾召開的國際氣象會議決定，航行于海上的船只必須定時進(jìn)行氣象觀測并作出報(bào)告，從此海洋氣象資料有了保障。隨后，英國"挑戰(zhàn)者"號考察船對大西洋和太平洋作了全面的海洋水文氣象調(diào)查；德國漢堡的海洋氣象臺，建立并發(fā)布了北海沿岸的暴風(fēng)警報(bào)；20世紀(jì)初，挪威氣象學(xué)家皮耶克尼斯等人提出氣旋生成的極鋒學(xué)說，形成氣象學(xué)界獨(dú)樹一幟的學(xué)派；美國氣象局編印的全球海洋氣候圖集，為研究海洋氣候提供了便利。第二次世界大戰(zhàn)以后，海洋氣象觀測技術(shù)和手段的不斷進(jìn)步，特別是衛(wèi)星遙感技術(shù)和大型電子計(jì)算機(jī)問世并廣為應(yīng)用，開創(chuàng)了海