第一部分：海洋物理

海水性质与物理环境

1. 盐度 (Salinity)

image.png

  • 定义: 海水中溶解的无机固体物质的总量。通常以千分比（ppt, ‰）表示，全球海洋平均盐度约为 35‰ 。
  • 恒比定律确定盐度 (Principle of Constant Proportions): 无论海水盐度如何变化，海水中主要溶解离子（如氯离子、钠离子等）之间的比例是恒定的。因此，只需测量一种主要离子（通常是氯离子, Chlorinity）的含量，就可以通过公式推算出总盐度：Salinity(‰)=1.80655×Chlorinity(‰) 。
  • 实际观测: 现代海洋学主要通过测量海水的电导率 (Conductivity) 来推算盐度，因为溶解盐类是离子，导电性与离子浓度成正比。仪器通常同时测量温度和压力来校正 。

2. pH值

  • 影响因素: 主要受溶解的二氧化碳 (CO2​) 浓度控制。CO2​ 溶于水形成碳酸，释放氢离子，降低pH。光合作用消耗 CO2​ 使pH升高；呼吸作用释放 CO2​ 使pH降低。温度也会影响气体溶解度 。

  • 随深度变化:

    • 表层: pH较高（约8.2），因为浮游植物光合作用消耗了 CO2​。

    • 中层: pH 随深度降低，在“最小含氧层”附近达到最低。这是因为细菌分解下沉的有机物（呼吸作用），消耗氧气并释放大量 CO2​。

    • 深层: pH 略有回升，因为碳酸钙外壳的溶解消耗了氢离子，且深层水体主要来源于极地表层沉降水，CO2​ 含量相对饱和但稳定 。

3. 密度 (Density)

  • 影响因素: 温度（反比，最主要因素）、盐度（正比）、压力（正比，影响较小，仅在深海明显）。

  • 分层结构:

    • 混合层 (Mixed Layer): 表层，受风浪搅拌，温盐性质均匀，密度较低。

    • 密度跃层 (Pycnocline): 密度随深度急剧增加的区域，通常也是温跃层 (Thermocline) 所在，阻碍上下水体交换。

    • 深层水 (Deep Water): 密度最大，水体寒冷均一，占据海洋体积的绝大部分 。

其他问题:

  • 声音传播: 声音在海洋中的传播受折射影响。在**声发声道 (SOFAR channel)**（通常在温跃层底部，声速最小的深度），声波因折射效应被“限制”在该层内传播，能量损失极小，可传播数千英里 。

  • 蓝色海洋: 水分子对光谱中波长较长的红光、橙光吸收最强，而波长较短的蓝光最容易被散射和反射回表面，因此人眼看到的是蓝色 。

  • 仪器:

    • Multibeam Sonar (多波束声纳): 用于海底地形测绘，通过发射多个扇形声波束测量水深 。

    • ADCP (声学多普勒流速剖面仪): 利用多普勒效应测量不同深度水流的速度和方向 。

  • 海冰: 海冰因水结冰时排出盐分（卤水排出），密度比液态海水小，因此漂浮。它具有高**反照率 (Albedo)**，能反射大量太阳辐射，对调节地球热平衡至关重要。

  • 近期变化: 北极海冰范围显著缩小，夏季无冰区扩大；南极海冰变化较复杂，部分区域崩解加速 。

大气与海洋相互作用

1. 水汽容量与空气密度

  • 水汽容量: 暖空气比冷空气能容纳更多的水汽 。
  • 密度: 在相同温度和压力下，潮湿空气 (humid air) 比干燥空气 (dry air) 密度更小。因为水分子 (H2​O, 分子量18) 比氮气 (N2​, 28) 和氧气 (O2​, 32) 轻，水汽加入会置换出较重的气体分子
    2. 降水成因

空气上升冷却，水汽过饱和凝结成液态水或冰晶，聚集形成云，最终降落 。

3. 不均匀受热与科氏力

  • 大气响应: 太阳辐射赤道强、极地弱，驱动大气由热赤道向冷极地流动（对流）。

  • 科氏力 (Coriolis Effect): 因地球自转而产生的惯性力，使运动物体在北半球向右偏转，南半球向左偏转。它使大气环流不再是简单的南北对流，而是形成东西向的风带 。
    image.png

4. 环流圈与风带: 每个半球有 3个 环流圈：

  • 哈德里环流 (Hadley Cell) (0°-30°): 对应**信风带 (Trade Winds)**。

  • 费雷尔环流 (Ferrel Cell) (30°-60°): 对应**西风带 (Westerlies)**。

  • 极地环流 (Polar Cell) (60°-90°): 对应极地东风带 (Polar Easterlies) 。

image.png

5. 季风 (Monsoon)
随季节改变风向的风系。夏季陆地升温快形成低压，ITCZ（热带辐合带）北移，风从海洋吹向陆地（湿润）；冬季相反 。

6. 热带气旋 (Tropical Cyclone)

  • 触发: 温暖的海水（>26°C）、低层大气扰动、较弱的垂直风切变。

  • 能量来源: 水汽凝结释放的 潜热 (Latent Heat) 是其巨大能量的来源 。
    image.png

海洋环流

1. 环流系统 (Gyre)
image.png

  • 定义: 这种大型的、近圆形的表层洋流系统。

  • 五大环流: 北大西洋环流、南大西洋环流、北太平洋环流、南太平洋环流、印度洋环流。位于副热带高压区 。

2. ENSO (厄尔尼诺-南方涛动)

  • 定义: 赤道太平洋海洋-大气系统的周期性波动。
  • 发生机制: 正常年份信风将暖水堆积在西太平洋；El Niño时信风减弱，暖水回流至东太平洋，抑制秘鲁沿岸上升流。
  • 气候影响: 导致全球气候异常，如南美洪水、澳洲干旱 。
  1. 垂直运动驱动力: 密度差异（由温度和盐度决定）驱动深层水垂直运动，即温盐环流 (Thermohaline Circulation) 。
  2. La Niña: 是El Niño的反相，信风异常增强，赤道东太平洋水温异常变冷。通常带来与El Niño相反的气候效应（如澳洲洪涝）。
  3. ENSO研究: 主要通过卫星监测（SST）、浮标阵列（如TAO/TRITON）收集数据，使用数值模型预测。机构包括NOAA等 。
  4. 温盐环流与输送带: 这是一个全球性的深海环流系统（Great Ocean Conveyor Belt）。北大西洋深层水 (NADW) 下沉，向南流动，在南大洋混合，进入印度洋和太平洋上升，最后通过表层流回北大西洋，完成循环 。

潮汐 (Tides)

1. 基本概念:
image.png

  • Tide: 月球和太阳引力引起的周期性海面升降。

  • High/Low Tide: 满潮/干潮。

  • Tidal Range: 潮差。

  • Spring Tide (大潮): 朔望月（新月、满月）时，日地月一线，引力叠加，潮差最大。

  • Neap Tide (小潮): 上下弦月时，日月垂直，引力抵消，潮差最小 。

2. 平衡潮理论:

假设地球被均匀水层覆盖，不考虑陆地和摩擦。结论是地球表面会有两个潮汐隆起（bulges），分别指向月球和背向月球 。

3. 潮汐类型:

  • 半日潮 (Semidiurnal): 每日两高两低，潮高近似。

  • 全日潮 (Diurnal): 每日一高一低。

  • 混合潮 (Mixed): 每日两高两低，但潮高差异显著 。

  • 开阔大洋: 存在旋转潮波系统，绕着无潮点 (Amphidromic point) 旋转 。

波浪 (Waves)

image.png

  1. 结构
    波峰 (Crest)、波谷 (Trough)、波高 (Height)、波长 (Wavelength)、周期 (Period)。水质点做圆形轨道运动，深度增加运动减弱 。

  2. 分类
    按成因分（风浪、涌浪、地震海啸、潮波）；按复原力分（毛细波-表面张力；重力波-重力）。

3. 深水与浅水波:

  • Deep-water: 水深 > 1/2 波长。相速度 $C = L/T \approx 1.56 T$。
  • Shallow-water: 水深 < 1/20 波长。相速度 $C = \sqrt{gd}$（仅受水深控制）

  1. 过渡: 从深海进入浅海，波浪触底摩擦，波速减慢，波长变短，波高增加，最终破碎 。

  2. 海啸 (Tsunami): 由海底地震或滑坡引起。在开阔大洋波速极快（喷气机速度），波高低；进入浅海港湾（confining bay）时速度减慢但波高急剧堆积 。
    image.png

🟢 Physical Oceanography: English Terminology & Explanation

English Term Chinese Explanation
Salinity 盐度 The total amount of dissolved inorganic solids in water, usually expressed in ppt (‰).
Principle of Constant Proportions 恒比定律 The ratio of major ions in seawater remains constant regardless of total salinity.
Thermocline 温跃层 A layer of water where temperature changes rapidly with depth.
Pycnocline 密度跃层 A layer of water where density changes rapidly with depth, acting as a barrier to mixing.
Coriolis Effect 科氏效应 The apparent deflection of moving objects (like air/water) due to Earth’s rotation (Right in N. Hemisphere).
Gyre 环流 A large-scale system of rotating ocean currents, driven by global wind patterns.
Thermohaline Circulation 温盐环流 Deep-ocean circulation driven by differences in water density (temperature & salinity).
ENSO (El Niño-Southern Oscillation) 厄尔尼诺-南方涛动 A periodic fluctuation in sea surface temperature and air pressure across the equatorial Pacific.
Latent Heat 潜热 The heat energy absorbed or released during a phase change (e.g., water vapor condensing to rain fuels hurricanes).
Amphidromic Point 无潮点 A point of zero amplitude in an ocean basin around which a tidal wave rotates.
Spring Tide 大潮 Tides with the largest tidal range, occurring at new and full moons (Sun-Moon-Earth alignment).
Neap Tide 小潮 Tides with the smallest tidal range, occurring at quarter moons (Sun-Moon at 90° angle).
Deep-water Wave 深水波 A wave moving through water deeper than half its wavelength; speed depends on wavelength.
Shallow-water Wave 浅水波 A wave moving through water shallower than 1/20th its wavelength; speed depends on depth.

第二部分：海洋化学

河口-海洋界面

1. 界面过程:

  • 化学过程: 絮凝作用（河水胶体遇盐水沉淀）、吸附与解吸（悬浮颗粒物表面离子交换）、氧化还原反应（沉积物缺氧环境）。

  • 影响因素: 盐度梯度、pH变化、溶解氧含量、海底地下水排泄 (SGD, Submarine Groundwater Discharge) 。SGD是连接陆地和海洋的重要通道，输送大量营养盐和碳到近海 。

海洋演化与氧气

  1. 海水来源: 地球除气作用（火山喷发水汽）和外太空来源（彗星/陨石撞击）。
  2. 存留比与逗留时间: 元素在海水中总量与其输入/输出速率之比。常量元素逗留时间长（保守元素），微量元素短 。
  3. 来源与去向:
    • 来源: 河流输入、大气沉降、海底热液、火山活动。
    • 去向: 沉积物埋藏、海喷（飞沫）、热液循环移除 。
  4. 氧气的意义: 原始海洋无氧。光合生物（蓝细菌）出现释放 O2​，首先氧化海洋中的还原性物质（如二价铁，形成条带状铁建造），待氧化耗尽后，O2​ 逸出至大气，形成臭氧层，改变了海洋的氧化还原状态，使得现代海洋以氧化环境为主，深刻影响了元素的循环形态 。

常量元素

  • 定义: 浓度 > 1 mg/kg，占盐分99.9%。
  • 性质: 主要是保守性（Conservative），其浓度比值基本恒定，主要受物理过程（混合、蒸发）控制。主要包括 Cl−,Na+,SO42−​,Mg2+,Ca2+,K+ 。

微量元素

  • 定义: 浓度 < 1 mg/kg。

  • 性质: 属于非保守性或营养盐型分布。受生物吸收、颗粒吸附（清除作用 Scavenging）控制。

  • 分布: 许多微量金属（如Fe, Zn）在表层被浮游植物耗尽，深层再生，呈现类似营养盐的垂直分布 。

营养盐

  • 定义: 海洋生物生长必需的元素（主要是N, P, Si）。

  • 来源: 陆源径流、大气沉降、深层水上涌。

  • 分布: 表层低（被消耗），深层高（再生）。

  • 赤潮: 富营养化导致藻类爆发性增殖，消耗氧气，产生毒素 。

碳酸盐体系

  • 平衡: CO2​+H2​O↔H2​CO3​↔H++HCO3−​↔2H++CO32−​。
  • 作用: 调节海水pH（缓冲作用），控制碳酸钙（CaCO3​）的沉淀与溶解 。

地质-化学-生态关系

  • 冷泉与水合物: 海底冷泉（Cold Seeps）流体富含甲烷，支持了化能合成生态系统（如菌席、蛤类），是独特的深海碳循环和生物多样性热点 。

第三部分：海洋生物

生命基础与适应性

  1. 4大基础有机质 (Organic Building Blocks):

  • Carbohydrates (碳水化合物): 能量储存（如淀粉），结构支撑（如几丁质、纤维素）。

  • Lipids (脂类): 能量储存，防水，浮力调节，细胞膜成分。

  • Proteins (蛋白质): 酶（催化代谢）、肌肉、激素、运输。

  • Nucleic Acids (核酸): 遗传信息存储与传递 (DNA, RNA)。

  1. 渗透压调节 (Osmoregulation):
  • Osmoregulators (调渗者): 维持体内盐度恒定，与环境不同。如硬骨鱼，在海水中会失水，需不断吞海水分泌盐分。
  1. 粘度适应 (Viscosity):

  • 浮游生物: 需要增加阻力防止下沉。适应：体积小（表面积体积比大）、长出刺/突起、产生油滴增加浮力。

  • 游泳生物 (Nekton): 需要减少阻力以快速游动。适应：流线型身体。

  1. 鲸鱼深潜适应:

  • 氧气储存: 血液量大，红细胞多；肌肉中含有大量肌红蛋白 (Myoglobin) 储存氧气（比肺部存氧更重要）。

  • 生理调节: 潜水时心率减慢 (Bradycardia)，血液优先供应脑和心脏；肺部可塌陷以避免氮气溶解（减压病）。

生态系统与交互

  1. 物种相互作用:

  • Competition (竞争): 争夺资源（光、食、地）。

  • Predation (捕食): 吃与被吃。

  • Symbiosis (共生):

    • Mutualism (互利共生): 如小丑鱼与海葵。

    • Commensalism (偏利共生): 一方获利一方无害。

    • Parasitism (寄生): 一方获利一方受害。

  1. 海洋碳汇: 海洋通过生物泵 (Biological Pump)（浮游植物固碳下沉）和溶解度泵（冷水溶解 CO2​ 下沉）吸收大量大气 CO2​，缓解全球变暖 。

  2. 生态概念:

  • Ecological Niche (生态位): 物种在环境中的角色和资源利用。Fundamental (基础): 理论最大范围；Realized (实际): 受竞争限制后的实际范围。

  • Population: 同种个体的集合。

  • Community: 不同种群的集合。

初级生产力 (Primary Productivity)

  1. 影响因素: 光照 (Light) 和 营养盐 (Nutrients) 。

  • 极地: 光照限制（冬季无光），夏季爆发。

  • 热带: 营养盐限制（层化严重，阻挡深层营养盐上涌），生产力常年低。

  • 温带: 季节性显著（春季藻华）。

  1. 沿岸高产原因: 陆源营养输入；潮汐混合和风引起的沿岸上升流打破温跃层，带来深层营养盐 。

  2. HNLC (高营养盐低叶绿素海区): 南大洋和赤道太平洋，虽有N/P，但缺乏微量元素**铁 (Iron)**，限制了浮游植物生长 。

4. NPP vs New Production:

  • Net Primary Production (NPP): 总光合作用减去呼吸消耗。
  • New Production (新生产力): 基于外界输入（如上升流、固氮）的营养盐支持的生产力，而非再生营养盐 。

潮间带 (Intertidal Zone)

  1. 岩石基质适应 (Rocky Shore Adaptations):
  • 干燥 (Desiccation): 关闭壳体（藤壶、贻贝）、躲在岩缝、分泌粘液、聚集生活。
  • 波浪冲击 (Wave Shock): 强力附着器（足丝、吸盘）、加厚壳体、低矮外形、柔韧性（海藻）。
  • 温度/盐度变化: 广温/广盐性生理耐受。
    image.png

红树林 (Mangroves)

  1. 适应性:
  • 盐分: 根部过滤盐分（Salt exclusion）、叶片分泌盐分（Salt excretion）。
  • 缺氧土壤: 拥有露出水面的呼吸根 (Pneumatophores) 或支柱根 (Prop roots) 获取氧气。
  • 繁殖: 胎生苗 (Vivipary)，种子在树上发芽后落下，快速扎根。
    image.png

🟢 Marine Biology: English Terminology & Explanation

English Term Chinese Explanation
Osmoregulator 调渗生物 An organism that actively controls its internal salt concentration independent of the environment (e.g., bony fish).
Viscosity 粘度 The “thickness” of a fluid. Small plankton rely on it to float; nekton adapt with streamlined shapes to reduce drag.
Primary Productivity 初级生产力 The rate at which photosynthetic organisms (producers) synthesize organic matter from inorganic compounds.
HNLC (High Nutrient, Low Chlorophyll) 高营养低叶绿素 Ocean regions where major nutrients (N, P) are abundant, but phytoplankton growth is limited by trace metals like Iron.
Biological Pump 生物泵 The process by which carbon is fixed by surface biology and transported to the deep ocean/sediment.
Ecological Niche 生态位 The role and position a species has in its environment; how it meets its needs for food and shelter, how it survives, and how it reproduces.
Symbiosis 共生 A close and long-term biological interaction between two different biological organisms (e.g., Mutualism, Parasitism).
Intertidal Zone 潮间带 The area that is above water at low tide and under water at high tide.
Desiccation 干燥/失水 The state of extreme dryness; a major stressor for intertidal organisms during low tide.
Pneumatophores 呼吸根 Specialized roots in mangroves that grow upward out of the mud to obtain oxygen for the root system.