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海洋物理概論

海洋物理概論. 臧效義　老師. The History of Oceanography. 年代紀事表. 主題一、總論. 1.1 發展沿革 History of Oceanography 1.1.1 地理概念形成 The Concepts of Geography Develop. 早期歷史. 從人類形成至散佈各地 - 大海 ( 洋 ) 對人類不是阻隔；很早已前人類即知利用海洋之某些特性抵達他處。 Ex. Micronesian Stick Charts ( 太平洋群島 ) 。 人類對海洋之最早關切可能是由於食物之來源。

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  1. 海洋物理概論 臧效義　老師 The History of Oceanography 年代紀事表

  2. 主題一、總論 • 1.1發展沿革 History of Oceanography • 1.1.1地理概念形成 The Concepts of Geography Develop

  3. 早期歷史 • 從人類形成至散佈各地 - 大海(洋)對人類不是阻隔；很早已前人類即知利用海洋之某些特性抵達他處。 Ex. Micronesian Stick Charts (太平洋群島)。 • 人類對海洋之最早關切可能是由於食物之來源。 • 西方世界最早建立航海技術者是 Phoenician(腓尼基)中東Syria沿岸古國。2000 B.C. 最早即已探索地中海紅海或印度洋。

  4. 希臘人貢獻 (Greeks) 世界的樣式是由希臘人於 450B.C. 之地圖所代表。 • Herodotus（地理學家）之世界地圖或希臘文明以地中海為中心，北方歐洲，東方亞洲，南方利比亞，彼此以海為界，西Mare Atlanticum南Mare Australis東南Mare Erythraeum。 • Pytheas（天文地理學家）325 B.C. 北航至冰島( Iceland )，創立量測緯度方式，以人與北極星連線與北方水平夾角定義之，並進而從天文觀測提議潮汐是月亮影響所致。

  5. Figure1-2 The World According to Herodotus (450 B.C.)

  6. Eratosthnes( 276-192 B.C. )（圖書館員）住亞歷山大( Alexandria )，首先決定地球周長者，以夏至在兩地之陰影角度與距離決定，他做如下的假設： 日與地距離相當遠故太陽光在兩地是平行，兩地距離5000 Stadia (1 Stadia = 0.1mile = 0.16 km)，兩地連線為北南直線且為一經線故與赤道垂直。推算結果40,000 km，近代推算40,320 km（環經線） Eratoshenes determined quite precisely the meridional circumfernce of Earth by using the simple geometric that when two parallel lines are cut by a third straight line, corresponding equal angles are formed. Figure 1-3 Eratosthenes’s Determination of the Circumference of Earth (circa 200B.C.)

  7. 羅馬人貢獻 ( Romans ) Strabo ( 63B.C. - 24 A.D. ) & Seneca ( 54 B.C. - 30A.D. ) - 耶穌同時代之人，大大增加我們對此世界之看法與認知： • Strabo 觀察火山之活動推論地週期升降造成海洋前進與後退，而橫跨大陸之河流將陸地表面侵蝕並輸送至海洋。 • Seneca 介紹水文循環與海水蒸發，故海洋不因河水源源流入而漲起。 • Ptolemy ( 150 A.D. )製作以經緯線表現之地圖因緯線容易訂而經線則很困難。

  8. Figure 6-3 The Hydrologic Cycle

  9. 中古時代 ( Middle Ages ) 阿拉伯人世紀 ( Arabs ) 阿拉伯人興起與歐洲基督教之誤解地理知識反而惡質化，例如 • 世界像一塊圓盤( Disk )中心是耶路撒冷﹔ • 航海家Cosmas之地圖堅持地球是方的且邊長分別為20,000 x 10,000 m﹔ 阿拉伯人以貿易觸角遍遊非洲東南亞與印度而發覺季節風或貿易風 ( Monsoon ) 之好處並加大利用﹔同一時期北歐瑞典之維京人( Vikings )於九世紀時興起向北方探索適逢全球溫度上升因而發現許多島國，後於十三世紀因溫度再度冷卻許多地方結冰，維京人( Vikings )不再有探險動機且所佔得島國土地亦失去利用價值。

  10. Figure 1-5 Cosmas’s map of the Known World 6th centry A.D. Figure 1-6 The Vikings Reach the New World

  11. 發現時代Age of Discovery （1492 - 1522 A.D.） • 北美、南美被發現，證明人類在其他大陸存在且有文化。 • 首先事件：君士坦丁堡（東方Christendom之首府）被擄促使西方世界尋找別的航海路線以取代傳統地中海航線。 • 葡萄牙Henry 王子設立海洋觀測所增進他國水手航海技能。

  12. 哥倫布Aug. 3, 1492出航，隨行88船員，Oct. 12, 1492新大陸被看見，但由於誤判航程時間（低估）因而沒真正發現。 • Vasco Nunes de Balboa發現太平洋，使歐洲常知之大西洋不再具有獨佔性。 • 此世紀發現之高峰由Fer - Magellan（從西班牙出發）做環球航行首達太平洋，經麥哲倫海峽 ( Strait of Magellan ) 發現菲律賓 ( 3/15, 1521 ) 然後被島民所殺，Sebastran del Cano繼續乘Victoria完成航程，途經印度洋於1522返回西班牙。 • 接續有許多航程由西班牙所派從南美運黃金，但英、荷相繼攻擊西班牙故海洋航道不再如以往作為新發現寶藏之通道。

  13. Voyage of Magellan Christopher Columbus’s voyage in 1492 opened the New World to Europe ( red ), and Ferdinand Magellan circumnavigated the globe in 1519 (blue). John Cabot’s exploration took him from England to the New World in1497 ( green ). Figure 1-7 Voyages of European Explorers

  14. 1.1.2 尋索以增加對海洋之科學認識 The Search to Increase Scientific Knowledge of the Oceans 　庫克船長( 1729-1779 ) Captain James Cook (英)偏重Physical Nature，農場工人之子，南太平洋航程主要為觀測金星（太白星 Venus）運行。 • 1st Voyage ( 1768, H.M.S. Endeavor Bask )完成金星觀測並將南半球緯度40度紐西蘭與澳洲東岸海圖繪製。 • 2nd Voyage ( July 13, 1772 ~ July 30, 1775, Resolution & Adventure ) 繞過好望角進入南半球海域並以萊姆汁豐富之維他命C防止海員之Dread Disease﹔ • 3rd Voyage從東加、紐西蘭往北發現夏威夷，1/18/1778 抵北美洲，Feb. 14, 1779 被土人所殺於Keala - Kekua Bay。

  15. 貢獻︰訂出最大海洋之輪廓 ( outline ) ﹔第一位橫越南極圈領先設計量測海面下溫度取樣﹔風、流量測﹔水深( sounding )珊瑚礁資料收集﹔ 以Harrison之航海時計決定經度而繪出最早之地球表面精確地圖。 Figure 1-8 (a) Voyages of Captain James Cook

  16. 海洋陸地資料與地圖大部份於十九世紀完成 • Matthew Fontaine Maury（美）海軍Career Officer 1806 - 1873 因受傷而改調管理海圖與儀器倉庫而得以接觸世界各地之海流與氣候條件，最後有系統地整理成各地之風與流資料，成為十九世紀航海者之重要參考資料。 • Charles Darwin（英）自然學家1809 - 1882 乘 H.M.S. Beagle（小獵犬）航行，從12/27/1831出發至08/02/1836返程，任務主要調查Patagonia & del Fuego海岸（主要為南美），從動植物研究與生物分佈而提出”進化論”或”物種源始”The Origin of Species”。

  17. Voyage of Beagle Sailing as naturalist aboard H.M.S Beagle, Charles Darwin gathered the evidence that enabled him to develop his theory of biological evolution through natural selection. Figure 1-11 Darwin’s journey aboard the H.M.S Beagle

  18. Sir John Ross & James Clark Ross英國最早成功測量深海深度者 John Ross 設計一設備deep sea clamm 可從1.8 km靠近加拿大Baffin Bay之北大西洋海床取回樣本。 • James Clark Ross用7000 m之測深線探測南極因南極深海中之生物與北極深海中一樣種類，都同樣敏感溫度上升進而推論深海之水必是相同低溫。 • Christian Ehrenberg德國柏林大學醫學教授 發現歐洲大陸各地之岩石具有相同之微海洋生物陳機組成，而這些生物是由陸地被沖刷至海洋再沈澱，甚至存在海洋生物中之螢光也可在陸地上發現。

  19. Edward Forbes 1815 - 1854英國自然學家Naturalist 對海洋生物研究貢獻極大，主要貢獻：海洋生物之深度分佈生物數量從近水面向下遞減，此論點與爾後發展促成對海洋生物垂直分佈之海洋探測航程。 • The Challenger Expedition（英） 目的：海洋之化學與物理性質研究項目有大洋深海之物理條件、海中各深度之化學組成、海床沈積物之物理化學特性、有機生物( Organic Life )之水深分佈與底床分佈。 航程Dec., 1872 ~ May, 1876範圍太平洋與大西洋， 主要貢獻：因航行127,500 km，492深海探測、133海底浚挖、151 open sea trawl（拖網）、263系列水溫觀測，故得捕獲與分類4717新海生物種類及測得8185 MarianasTrench（海溝）。H.M.S. Challenger是現代深海地質研究之先鋒，那次航程之後再約50年沒有類似大規模之研究航程直至1925德國研究船Meteor。

  20. Fridjof Nansen ( between Challenger & Meteor )挪威人主要興趣北大西洋與北極之探險，從整理十九世紀末之記錄，尤其1879出航失利之美國探險家George Washington Delong及船Jeanette，原本要行經白令海峽( Bering Strait )到達北極後因遭冰山所困而漂流至Wrangell Island北方，證明此島不與北極大陸相連，漂流兩年後船沈於新西伯利亞島附近。 1884許多文物被發現存封於冰塊中而在Greenland島海岸發現因而Nansen認為文物漂流之路線可能可以指引經過北極。故Nansen於June, 1893從Oslo出發船名Fram（針對冰海特製之船），但尚未看見New Siberian Islands島就被冰所困距北極1100 km，然後從Sep. 1893 to Nov. 15, 1895長達兩年之漂流到達距北極最近之點( 394 km )，Aug. 13, 1893破冰而出得以自由航行。

  21. The course followed by the Fram after becoming frozen in ice near the New Siberian island., September 21, 1893. On August 13, 1896, the little ship was released by the ice off Spitsbergen. Figure 1-15 Voyage of the Fram

  22. Fridjof Nansen的發現：北極海中沒有大陸，其中之冰非源於冰河而是海面上冰塊直接堆積而成。北極海最深約3000m，而且在d = 150 ~ 900 m間海水溫度為15℃，Nansen推測為北大西洋海水沈進較不Salty之北極海水下所致﹔也因對鹽度及溫度測量之需求而發明Nansen Bottle取水樣器。此外，他觀察到的風向與水漂移現象更啟發瑞典物理學家V. Walfred Ekman推導出相關現象之數學理論。Nansen 1922獲得Nobel獎，Ekman等人則領導二十世紀初之物理海洋學研究。

  23. 1.1.3 二十世紀海洋學The 20th Century Oceanography • 1925 - 1927 Meteor號航程（德）開啟二十世紀海洋研究，尤其首先使用Echo Sounder探測而獲得連續水深資料，其研究主要針對南大西洋，因而海底底床之面貌起伏首先被呈現。

  24. 美國之海洋學 • 最早貢獻於大規模研究工作之美國人為Mathew Maury，他並著有一書Physical Geology of the Sea。 • Blake於1877之航程凱起另一波研究歷史且貢獻良多。 • 由於海軍之需求所導致之研究幫助許多海洋學者從事相關研究，美國之研究單位：US Navy Oceanography, Office of Naval Research, US Coast Guard, US Coast & Geodetic Survey ( National Ocean Survey ) - Under-Water Mapping, National Oceanic & Atmospheric Administration ( NOAA ), National Marine Fisheries Service, Office of Sea Grant。

  25. Lieutenant Matthew F. Maury

  26. 另外三個海洋研究所並不直接受聯邦政府控制 • 1903 ~ Scripps Institute of Oceanography, UC San Diego, at La Jolla, California • 1930 ~ Woods Hole Oceanographyic Institution, at Woods Hole, Massachusetts 最早擁有先進之研究船Atlantis II • 1949 ~ Lamont Doherty Geological Observatory, of Columbia Univ. led by Dr. Maurice Ewing 三者發展了許多設備用以研究海洋深度內之神秘，最有名者為FLIP : Floating Instrument Platform其他如Deep Sea Vehicle Photograph System, Magnetometer Capsule ( Automatic Timers & Acoustical Signals Release ), Remote Underwater Manipulator ( RUM ), Oceanographic Research Buoy ( ORB )。

  27. Nov., 1963 NSF (National Science Foundation美國國家科學院)成立國家級研究以研究海洋底部沈積質特性 ( by Sediment Coring )，由Scripps & Rosenstiel School of Atmospheric & Oceanic Studies, U. of Miami, Florida, Lamont Doherty, Woods Hole聯合組成深海探測計畫Joint Oceanography Institution for Deep Earth Sampling ( JOIDES )，後又加入U. of Washington, Texas A&M, U. of Hawaii, Oregon State, U. of Rhode Island等校之海洋科學系研究資源。 • 鑽探船Glomar Challenger, 03/23/1968下水for deep sea drilling project 6000 m，目的能鑽探水下地質。 • 1975 - JOIDES成為國際計畫，得到來自西德、法、日、英、蘇聯之經濟資助與科學家支持。

  28. The Glomar Explorer, with a length of 189 m and a maximum displaces may be refitted to drill in the ocean floor using a 10-km drill string. Equi-circulation system, it would be able to sately drill as deep as to km in beneath 4-km waters. (Courtesy of Global Marine Development, lnc.)

  29. 1.2 海洋Oceans ( Ref. Gross M. G., 1990 ) • 地球表面：70.8 % 水覆蓋， 29.2 % 陸地覆蓋（集中北半球）﹔若陸地以西歐為中心則圖2-1顯示相同量之陸地與水分佈﹔若以北極為中心，圖2-2顯示海洋可區分為三大洋區。海水量之分佈比例：太平洋52 %，大西洋25 %，印度洋20 %，三者合計約為97 %，其餘冰2 %，大氣+湖泊+河0.01 %，地下水0.5 %。 • 海水成分主要為水( 96.5 % )、鹽( 3.5 % )及微量其他物質。水、鹽、大氣皆從地球內部岩石經火山爆發產生。故水域( Hydrosphere )包括海水與淡水，大氣域( Atmosphere )為空氣。此外大氣中氮78.1 %、氧20.9 %、其餘1 %，微量之CO2但豐富之O2（此為地球與其他星球大氣主要不同處﹔且CO2與溫室效應關係重大）。

  30. FIGURE 2-1The land hemisphere is centered on western Europe and has roughly equal amounts of land and water. The water hemisphere is centered on New Zealand and water dominates. (After Judson, Kauffman, and Leet, 1987.)

  31. FIGURE 2-3Distribution (in percent) of water on Earth’s surface. Only a minute fraction occurs in lakes, rivers, or the atmosphere (low right). FIGURE 2-2The ocean is centered on Antarctica. For convenience, it is divided into three oceans (upper right).

  32. 水之化學成分深深影響海水與海洋有機質。 　例離子鍵onic Bonds、氫鍵Hydrogen Bonds。 • 地球上所有物質分為三狀態( State of Matte )，包括氣體( Gas )、固體( Solid )與液體( Liquid )，由於水在太陽系中皆存在而顯得更特別。各狀態之定義為： 氣體：分子結構最彼此獨立，無大小、無形，氣壓隨體積與溫度改變。 固體：與氣體相反，固定大小與形狀，分子結構固定，受力變形且隨溫度增加而振動。 液體：皆呼氣體與固體之間，固定大小卻可變形，組成分子或原子鬆弛地連結。 • 冰與水受氫鍵之影響﹔水蒸氣如同氣體，分子之間無bonding，因冰的結構較完整但較不緊縮故冰密度ice = 0.92 g/cm3而水密度w = 1.0 g/cm3，也因此salts與其他雜質不易存在冰中（包括gas）。

  33. 溫度：溫度變化會改變水之內部結構與性質，水是大熱容體( Heat Capacity )或比熱大，海水溫度一般為0℃ ~ 30℃之間。 • 黏滯性( Viscosity ) ：流體內部之摩擦力或阻力以防止流動（或為水分子之間相互移動之阻力），對於水分子結構相當敏感，通常壓力增加則黏滯性降低。對近水面處浮游之有機物此特性很重要。一般而言 = f {salinity（正比）, T（反比）}。 • 鹽度( Salinity ) S：單位為每一公斤水中之鹽量，通常以ppt ( parts per thousand )表示，組成份子包括Cl-( 55.07 % )﹔Na+ ( 30.62 % )﹔SO42-( 7.72 % )﹔Mg2+( 3.68 % ) etc.。測量方式以測其電導度( conductivity )決定鹽度，一般鹽度大電導度亦大。 • 密度 ( Density )w：層變水體中密度小者在密度大者之上， w P, S, 1/T有關，純水w在4 ℃時最大故溫度降低時表面水先結成較密之物質而下降引起水體混合( Mixing )直到都是4℃為止。

  34. Figure 7-1 Structure of Water as a Solvent Water molecules arrange themselves around ions in solution, forming hydration spheres. Negative ions, such as Cl-,are surrounded by water molecules with hydrogens pointed inward; positive ions, such as Na+,are surrounded by water molecules with hydrogens pointed outward.

  35. 溶解於海洋之物質來源有三：( 1 )火山釋放之氣體經由降雨再回到海洋﹔( 2 )海床處火山產生之溶岩與海水作用釋放物質於水中﹔( 3 )岩石風化成分進入水中。海鹽或海水鹽度在過去十五億年中並無太大之變化。

  36. Figure 6-8 Phase Diagram for Water

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