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海洋科學是研究海洋的自然現象、性質及其變化規律,以及與開發利用海洋有關的知識體系。它的研究對象是佔地球表面71%的海洋,包括海水、溶解和懸浮於海水中的物質、海洋中的生物、海底沉積和海底岩石圈,以及海面上的大氣邊界層和河口海岸帶等。

海洋學海洋學

海洋科學是研究海洋的自然現象、性質及其變化規律,以及與開發利用海洋有關的知識體系。它的研究對象是佔地球表面71%的海洋,包括海水、溶解和懸浮於海水中的物質、海洋中的生物、海底沉積和海底岩石圈,以及海面上的大氣邊界層和河口海岸帶等。

1 海洋學 -研究內容

海洋學海洋學

海洋科學的研究領域十分廣泛,其主要內容包括對海洋的物理、化學、生物和地質過程的基礎研究,海洋資源開發利用,以及海上軍事活動等的應用研究。

由於海洋本身的整體性、海洋中各種自然過程相互作用的複雜性和主要研究方法、手段的共同性而統一起來,使海洋科學成為一門綜合性很強的科學。

在太陽系的行星中,地球處於「得天獨厚」的位置。地球的大小和質量、地球與太陽的距離、地球的繞日運行軌道以及自轉周期等因素相互的作用和良好配合,使得地球表面大部分區域的平均溫度適中(約15℃),以致它的表面同時存在著三種狀態(液態、固態和氣態)的水,且絕大部分是以液態海水的形式形成一個全球規模的含鹽水體——世界大洋。因此,人們的地球又稱為「水的行星」。

全球海洋總面積約3.6億平方公里,約佔地表總面積的71%。全球海洋的平均深度約3800米,最大深度11034米。全球海洋的容積約為13.7億立方公里,佔地球總水量的97%以上。如果地球的地殼是一個平坦光滑的球面,那麼就會是一個表面被2600多米深的海水所覆蓋的「水球」。

世界海洋每年約有50.5萬立方公里的海水在太陽輻射作用下被蒸發,向大氣供應87.5%的水汽。從海洋或陸地蒸發的水汽上升凝結后,又作為雨或雪降落在海洋和陸地上。陸地上每年約有4.7萬立方公里的水在重力的作用下,或沿地面注入河流,或滲入土壤形成地下水,最終注入海洋,從而構成了地球上周而復始的水文循環。

海水是—種含有多種溶解鹽類的水溶液。在海水中,水佔96.5%左右,其餘則主要是各種各樣的溶解鹽類和礦物,還有來自大氣中的氧、二氧化碳和氮等溶解氣體。世界海洋的平均含鹽量約2.5%,而世界大洋的總鹽量約為4.8億億噸。假若將全球海水裡的鹽分全部提煉出來,均勻地鋪在地球表面上,便會形成厚約40米的鹽層。

目前在海水中已發現的化學元素超出80種。組成海水的化學元素,除了構成水的氫和氧以外,絕大部分呈離子狀態,主要有氯、鈉、鎂、硫、鈣、鉀、溴、碳、鍶、硼、氟等11種,它們占海水中全部溶解元素含量的99%;其餘的元素含量甚微,稱為海水微量元素。溶解於海水中的氧、二氧化碳等氣體,以及磷、氮、硅等營養鹽元素,對海洋生物的生存極為重要。海水中的溶解物質不僅影響著海水的物理化學特徵,而且也為海洋生物提供了營養物質和生態環境。

海洋對於生命具有特別重要的意義。海水中主要元素的含量和組成,與許多低等動物的體液幾乎一致,而一些陸地高等動物,甚至人的血清所含的元素成分也與海水類似。研究證明,地球上的生命起源於海洋,而且絕大多數的動物生活在海洋中。在陸地上,生物集中棲息在地表上下數十米的範圍內,可是在海洋中,生物棲息範圍可深達一萬米。因此,研究生命起源的學者把海洋稱作「生命的搖籃」。

海洋作為地球水圈的重要組成部分,同大氣圈、岩石圈以及生物圈相互依存,相互作用,成為控制地球表面的環境和生命特徵的一個基本環節。由於水具有很高的熱容量,因此世界海洋是大氣中水汽和熱量的重要來源,並參與整個地表物質和能量平衡過程,成為地球上太陽輻射能的一個巨大的儲存器。在同一緯度上,由於海陸反射率的固有差異,海面單位面積所吸收的太陽輻射能約比陸地多25~50%。因此,全球大洋表層海水的年平均溫度要比全球陸地上的平均溫度約高10℃。

由於太陽輻射能在地球表面上分佈的固有差異,赤道附近的水溫顯著地高於高緯度海區,因此,在海洋中導致暖流從赤道流向高緯度、寒流從高緯度流向赤道的大尺度循環。從而引起能量重新分佈,使得赤道地區和兩極的氣候不致過分懸殊。

海面蒸發產生的大量水汽,可被大氣環流及其他局部空氣運動攜帶至數千公里以外,重新凝結成雨雪降落到所有大陸的表面,成為地球表面淡水的源泉。由此可見,海洋對全球天氣和氣候的形成,以至地球表面形態的塑造都有深遠的影響。海洋中的動物約16~20萬種,植物一萬多種。海洋中的生物,如同整個生物圈中的生物一樣,絕大多數直接地或間接地依賴於光合作用而生存。海洋生物由海洋光合植物、食植性動物和食肉性動物逐級依賴和制約,組成了海洋食物鏈。

海洋作為一個物理系統,其中發生著各種不同類型和不同尺度的海水運動和過程,對於海洋中的生物、化學和地質過程有著顯著的影響。海水運動按其成因,大致分為:海水密度變化產生的「熱鹽」運動,如海面蒸發、冷卻和結冰,以及海水混合等;海面風應力驅動形成的風生運動,如風海流和風生環流等;天體引力作用產生的潮汐運動;海水運動速度切變產生的湍流運動;各種擾動產生的波動,如風浪、慣性波和行星波等。

海洋是生物的生存環境,海水運動等物理過程會導致生物環境的改變。因此,不同的流系、水團具有不同的生物區系和不同的生物群落。海水運動或波動是海洋中的溶解物質、懸浮物和海底沉積物搬運的重要動力因素,因此,海洋中化學元素的分佈和海洋沉積,以及海岸地貌的塑造過程都是不能脫離海洋動力環境的。反過來,海水的運動狀況也與特定的地理環境、化學環境有關。這就是海洋自然環境的統一性的具體表現。

大洋地殼作為全球地殼的一個結構單元,具有不同於大陸地殼的一系列特點。陸殼較輕、較厚,比較古老;洋殼較重、較薄(缺失花崗岩層),相對年輕。在地殼的均衡作用下,陸殼質輕而浮起,洋殼質重而深陷。地球之所以存在著如此深廣的海洋,是與洋殼的物質組成有關的。

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由於海水的覆蓋,海底地殼是難以直接觀察的。近半個世紀以來,深海考察發現了海洋中有深度超過萬米的海溝,長達上千公里的斷裂帶以及眾多的海山:而給人印象最深的是存在著一條環繞全球、縱貫大洋盆地、延伸達80000公里的水下山脈體系。這條水下山脈縱貫大西洋和印度洋的洋盆中部,所以稱為大洋中脊。在大洋中脊頂部發育有一條被斷裂帶錯開的縱向的大裂谷,稱為中央裂谷。

20世紀70年代以來,海洋學者乘坐潛水器考察大洋中脊和裂谷,發現從裂谷底噴湧出來的熱泉。原來,冷海水沿裂隙滲入熾熱的新生洋殼內部,變成熱海水,熱海水和洋殼玄武岩之間發生強烈的化學反應。玄武岩中的鐵、錳、銅、鋅等被淋濾出來進入熱海水,從而噴出富含金屬的熱泉。由河流帶入海洋中的鎂、硫酸根,在上述過程中也大部分被中脊軸部的洋殼所吸收。據估計,沿著八萬公里長的大洋中脊只需800~1000萬年,與世界海洋等量的海水就可以經過脊軸洋殼循環一遍。這對於海水化學成分的演化,產生了十分深遠的影響。

總之,海洋中發生的各種自然過程,在不同程度上同大氣圈、岩石圈和生物圈都有耦合關係,並且同全球構造運動以及某些天文因素密切相關,這些自然過程本身也相互制約,彼此間通過各種形式的物質和能量循環結合在一起,構成一個具有全球規模的、多層次的海洋自然系統。正是這樣一個系統,決定著海洋中各種過程的存在條件,制約著它們的發展方向。

海洋科學研究的目的,就在於通過觀察、實驗、比較、分析、綜合、歸納、該繹以及科學抽象方法,去揭示這個系統的結構和功能,認識海洋中各種自然現象和過程的發展規律,並利用這些規律為人類服務。

2 海洋學 -研究簡史

人類認識海洋的歷史,是在沿海地區和海上從事生產活動開始的。古代人類已具有關於海洋的一些地理知識。但直到19世紀70年代,英國皇家學會組織的「挑戰者」號完成首次環球海洋科學考察之後,海洋學才開始逐漸形成為一門獨立的學科。20世紀50~60年代以後,海洋學獲得大發展,形成為一門綜合性很強的海洋科學。

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從古代到18世紀末是海洋知識的積累時期,也是海洋學萌芽時期。在科學不發達的古代,人們對海洋自然現象的認識和探索,主要依靠很不充分的觀察和簡單的邏輯推理。雖然當時只限於直觀地、籠統地把握海洋的一些性質,但也提出了不少精彩的見解。例如,公元前7~前6世紀古希臘的泰勒斯認為,水是萬物的本源,而大地則浮在浩瀚無際的海洋之中。公元前11~前6世紀中國的《詩經》中,已有江河「朝宗於海」的記載。公元前四世紀,古希臘思想家中知識最淵博的亞里士多德在《動物志》中,已描述和記載170多種愛琴海的動物。公元一世紀,中國東漢王充曾科學地指出了潮汐運動和月亮運行的對應關係。

從15世紀到18世紀末,自然科學和航海事業的發展,促進了海洋知識的積累。這時的海洋知識以遠航探險等活動所記述的全球海陸分佈和海洋自然地理概況為主。

1405~1433年中國明朝鄭和率領船隊七次橫渡印度洋;1492~1504年義大利航海家哥倫布4次橫渡大西洋,併到達美洲;1519~1522年葡萄牙航海家麥哲倫等完成了人類歷史上第一次環球航行;1768~1779年英國庫克在海洋探險中最早進行科學考察,取得了第一批關於大洋表層水溫、海流和誨深以及珊瑚礁等資料。這些活動和成果,不僅使人們弄清了地球的形狀和海陸分佈的大體形勢,而且直接推動了近代自然科學的發展,為海洋學各個主要分支學科的形成奠定了基礎。如1670年英國玻意耳研究海水含鹽量和海水密度的變化關係,開創了海洋化學研究;1674年荷蘭列文虎克在荷蘭海域最先發現原生動物;1687年,英國牛頓用引力定律解釋潮汐,奠定了潮汐研究的科學基礎;1740年瑞士科學家貝努利提出潮汐靜力學理論;1772年法國拉瓦錫首先測定海水成分;1775年法國拉普拉斯首創大洋潮汐動力學理論,等等。

19世紀初到20世紀中,機器大工業的產生和發展,有力地促進了海洋學的建立和發展。英國科學家、生物進化論的創始人達爾文在 1831~1836年隨「貝格爾」號環球航行,對海洋生物、珊瑚礁進行了大量研究,於1842年出版《珊瑚礁的構造和分佈》,提出了珊瑚礁成因的沉降說;於1859年出版《物種起源》,建立了生物進化理論。英國生物學家福布斯在19世紀40、50年代提出了海洋生物分佈分帶的概念,出版了第一幅海產生物分布圖和海洋生態學的經典著作《歐洲海的自然史》。美國學者莫里為海洋學的建立作出了更為顯著的貢獻,其1855年出版的《海洋自然地理學》被譽為近代海洋學的第一本經典著作。

1872~1876年,英國「挑戰者」號考察被認為是現代海洋學研究的真正開始。「挑戰者」號在12萬多公里航程中,作了多學科綜合性的海洋觀測,在海洋氣象、海流、水溫、海水化學成分、海洋生物和海底沉積物等方面取得大量成果,使海洋學從傳統的自然地理學領域中分化出來,逐漸形成獨立的學科。

1925~1927年,德國「流星」號在南大西洋的科學考察,第一次採用電子回聲測深法,測得七萬多個海洋深度數據等資料,揭示了大洋底部並不是平坦的,它像陸地地貌一樣變化多端。同時,海洋物理學、海洋化學、海洋地質學和海洋生物學等各基礎分支學科的研究也取得顯著進展,發現和證實了一些海洋自然規律。1957年,海洋研究科學委員會(SCOR)和1960年政府間海洋學委員會(IOC)的成立,促進了海洋科學的迅速發展。美國的深潛器「的里雅斯特2」號1960年曾深潛到10919米的海洋深處,美國核潛艇「鸚鵡螺」號1950年從冰下穿越北極,表明海洋的任何部分都能為人類所征服。但是,1963年美國潛艇「脫粒機」號和1960年「蠍子」號失事,全體乘員喪生,又從反面證明海洋環境仍然是難以掌握的。事實上,從技術的角度來說,人類要在深海海底上行走比在月球上漫步還要困難。

現代海洋學對於具體的海洋自然現象或特定海區的研究,普遍地從傳統的靜態定性描述和簡單的因果分析向著動態定量分析發展,重視基礎理論、現場實驗和功能模擬研究。

3 海洋學 -與分支學科關係

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海洋科學各分支學科之間、海洋科學和相鄰基礎科學之間的相互結合、相互滲透,並逐步形成了一系列跨學科的有高度綜合性的研究課題。例如,海洋-大氣相互作用和長期氣候預報、海洋生態系統、海洋中的物質循環和轉化、洋底構造以及有關海洋與地球的起源,海洋生命起源這樣一些根本問題。

深海鑽探和海洋地球物理探測技術的發展,使海洋科學(特別是海洋地質學)以及地球科學的研究方法和理論出現新的突破。例如,被譽為20世紀地球科學最重大成就之一的板塊構造理論,主要就是通過對海洋地質和地球物理探測成果的研究建立起來的。

20世紀60年代以來海洋科學中所有的重大進展都同新的觀測儀器、研究手段和方法的研製成功,以及廣泛而密切的國際合作有關。例如,卓有成效的海洋觀測,數據傳輸、處理系統的應用,航天遙感、遙測技術和水聲技術的應用,國際地球物理年、國際印度洋考察、黑潮及鄰近水域的合作研究、國際海洋考察十年、全球大氣研究計劃大西洋熱帶實驗、深海鑽探計劃,以及世界(海洋科學)資料中心的建立等國際性海洋科學合作研究。

4 海洋學 -研究特點

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海洋科學具有明顯的區域性特徵,即使是同一區域,海洋、水文、化學要素及生物分佈也是互相各異、多層次性的。因此,很難在實驗室里對各類海洋現象和過程,以及它們之間的相互作用進行精細的實驗,也不能只靠數學分析和數學模擬來進行研究,而是要充分利用科學設備在自然條件下進行觀察研究。

直接的觀察研究,既為實驗室研究和數學研究的模式提供確切的可靠資料,又可以驗證實驗室和數學方法研究結論的可靠性。因此,在自然條件下進行長期的、周密的、系統的海洋考察是海洋科學研究的基本方法。

在海洋科學研究中,海洋觀測儀器和技術設備起著重要的作用,有時甚至是決定性的作用。海水深而廣,具有大密度和流動性,給人們的直接觀測帶來極大困難。從海面向下大約每增加10米,壓力就要增加一個大氣壓,在萬米深處,海水的壓力作用可以把潛水鋼球的直徑壓縮幾個厘米,人類很難在這樣大的深處活動。即使在海洋上層,海水處於不斷的流動和波動狀態,依靠一個點上的觀測資料,也很難說明面上的情況。因此,只有大力發展海洋觀測儀器和技術設備,才能取得所需要的大量海洋資料,以推動海洋科學的發展。

20世紀60年代以來,海洋科學的發展表明,幾乎所有主要的重大進展都和新的觀察實驗儀器、裝備的建造,新的技術的發明和應用,觀察實驗的精度,以及數據處理能力的提高有緊密關係。例如,浮標觀測技術、航天遙感技術和計算技術的應用,促成了關於海洋環流結構、海-氣相互作用、中尺度渦旋、鋒區、上升流、內波和海洋表面現象等理論和數值模型的建立;回聲測深、深海鑽探、放射性同位素和古地磁的年齡測定、海底地震和地熱測量等新技術的興起和發展,對海底擴張說和板塊構造說的建立作出了重要貢獻。

海洋科學的觀察主要是在自然條件下進行的,因而受到自然條件的限制。各種海洋現象和過程,有的「時過境遷」,有的「浩瀚無際」,有的因時間尺度太長,短時間的觀測資料不足以揭示其歷史演變規律。加之其中各種作用相互交叉、隨機起伏,因此在自然條件下的觀察只能獲得關於海況的一些片斷的、局部的信息。即使獲得某一海區近百年的海況和海洋生物種群動態的觀測序列,那也只是整個海洋生態環境和生物種群動態總體中的一個小小的樣本。

所以在海洋科學研究中比較著重於從資訊理論、控制論和系統論的觀點,研究海洋現象和過程的行為與動態,並根據已有的信息,通過系統功能模擬模型進行研究,對未來海況作出預測。

5 海洋學 -分支學科

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海洋科學研究和科學理論呈現出日益增強的整體化趨勢。隨著海洋科學的發展,揭示的海洋現象越來越多,因此學科的劃分也就越來越細,研究領域也越來越廣。近幾十年來對海洋現象和過程的深入研究發現,各分支學科之間是彼此依存、相互交叉、相互滲透的,每一分支學科只有在整個海洋科學體系的相互聯繫中才能得到重大發展。

現代海洋科學的研究體系,大體可以分為基礎性學科研究和應用性技術研究兩部分。基礎性學科是直接以海洋的自然現象和過程為研究對象,探索其發展規律。應用性技術學科則是研究如何運用這些自然規律為人類服務。

海洋中發生的自然過程,按照內秉屬性,大體上可分為物理過程、化學過程、地質過程和生物過程四類,每一類又是由許多個別過程所組成的系統。對這四類過程的研究,相應地形成了海洋科學中相對獨立的四個基礎分支學科:海洋物理學、海洋化學、海洋地質學和海洋生物學。

海洋物理學是以物理學的理論、技術和方法研究發生於海洋中的各種物理現象及其變化規律的學科。主要包括物理海洋學、海洋氣象學、海洋聲學、海洋光學、海洋電磁學、河口海岸帶動力學等。

物理海洋學主要研究海水的各類運動(如海流、潮汐、波浪、行星波、湍流和海水層的微結構等),海洋同大氣圈和岩石圈的相互作用規律,海洋中聲、光、電的現象和過程,以及有關海洋觀測的各種物理學方法。

海洋化學是研究海洋各部分的化學組成、物質分佈,化學性質和化學過程的學科。研究的內容主要是海洋水層和海底沉積以及誨洋一大氣邊界層中的化學組成、物質的分佈和轉化,以及海洋水體。海洋生物體和海底沉積層中的化學資源開發利用中的化學問題等。海洋化學包括化學海洋學和海洋資源化學等分支。

海洋地質學是研究地球被誨水淹沒部分的特徵和變化規律的學科。主要研究內容為:海岸和海底地形,海洋沉積的組成和形成過程,大洋地層學、洋底岩石的岩性、礦物和地球化學,海底地殼構造和大洋地質歷史,海底的熱流、重力異常、磁異常和地震波傳播速度等地球物理特性。海洋地質學當前研究的重大課題是海底礦產資源的分佈和成礦規律,大陸邊緣(包括島弧——海溝系)和大洋中脊為主的板塊構造,以及古海洋學等。

海洋生物學是研究海洋中一切生命現象和過程及其規律的學科,主要研究海洋中生命的起源和演化,海洋生物的分類和分佈、形態和生活史、生長和發育、生理和生化、遺傳,特別是生態的研究,以闡明海洋生物的習性和特點與海洋環境之間的關係,揭示海洋中發生的各種生物學現象及其規律,為開發、利用和發展海洋生物資源服務。海洋生物學包括生物海洋學、海洋生態學等分支學科。

如同自然科學中的其他學科一樣,海洋科學的各個基礎分支學科不僅互相聯繫,互相依存,而且互相滲透,不斷萌生出許多新的分支學科,如海洋地球化學、海洋生物化學、海洋生物地理學、古海洋學等。

另一方面,海洋科學的研究,特別是在早期,具有明顯的自然地理學方向,著重於從自然地理的地帶性和區域性的角度研究海洋現象的區域組合和相互聯繫,以揭示區域特點、區域環境質量、區域差異和關係,形成了區域海洋學。

由於現代科學技術發展很快,海洋資源開發技術與日俱新,因此需要專門研究如何把基礎理論研究成果應用到實踐中去,解決生產技術問題。這樣,在海洋科學研究中就逐漸分化出一系列技術性很強的應用學科和專業技術研究領域。

如海洋工程,它始於為海岸帶開發服務的海岸工程。到了20世紀後半期,世界人口和經濟迅速增長,人類對蛋白質和能源的需求量也急劇增加,因此海洋工程又增加了深海採礦、經濟生物的增養殖、海水淡化和綜合利用、海洋能的開發利用、海洋水下工程、海洋空間開發等內容。

6 海洋學 -發展

海洋科學研究成果的應用,由於服務對象不同,還相應地形成一些相對獨立的應用性學科,如海洋水文氣象預報、航海海洋學、漁場海洋學、軍事海洋學等。

但是,如同其他自然科學研究一樣,任何學科分類和體系都不是最終的封閉系統,隨著對海洋研究的深化和擴展,海洋科學的學科分類和體系將不斷地有所更新和發展。

7 海洋學 -參考資料

[1] 大科普網 http://www.ikepu.com/geography/ocean/ocean_view_total.htm

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