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海洋通識教育課程 海洋系統概說 授課教師：黃銘志 授課日期：2010. 09.24 2015/4/10 1 授課內容 • 海洋形成 • 海水物理化學特性 • 海底地形與板塊運動 地球的形成 2015/4/10 http://www.undersea.cn/Pages/deepsea/ds_4_oceanorigin.html 3 2015/4/10 http://www.undersea.cn/Pages/deepsea/ds_4_seawater1.html 4 海洋的起源 (Origin of the ocean) • 在地球早期，地殼才凝固不久，其下全是「岩漿海 洋」，火山活動頻繁，產生大量水氣，聚集成巨厚 的雲層。 • 隨著地球逐漸冷卻，當大氣中的水氣超過飽和點， 便開始凝結成水滴、冰晶，引發幾百年、幾千年狂 風暴雨。雨水不停地向低窪地集中，因此，誕生了 原始海洋。 • 原始的海洋嚴重缺氧、含大量酸性物質如HCl、HF、 CO2等，因此，原始的海洋是酸性、溫度高的大洋。 2015/4/10 5 地球給人類的禮物─海洋 地球不是唯一在太陽系中有水的行星， 擁有H2O的星體很多，但都不是液態 水是在星體表面。因此，地球有液體 的水是非常特別的。 液態的水需要什麼條件呢？基本上就 是在 0℃以上，在100 ℃以下，也就 是在冰點以上在沸點以下才會有。 地球是非常的特殊，就是地球的平均 溫度，是15℃，剛好就是在0℃以上， 在100 ℃以下，所以有海洋的存在。 2015/4/10 http://tupian.hudong.com/a1_36_16_01300000171599121189160494036_jpg.html 6 地球表層水以固態冰雪、液態水和水氣等三種形態存在。地球 的水約有14億立方千公尺，其中海水占97.3%, 陸地冰川占2.1%， 地下水占0.6%，而人類經常飲用的河流水只占0.0001%。 2015/4/10 7 http://www.undersea.cn/Pages/deepsea/ds_1_waterresource.html 海洋 (ocean) • • • • 2015/4/10 海洋佔地球表面積的70% 平均深度為3800m 總體積 1.4 × 1012 m3 蘊藏豐富之生物資源 8 海洋學的範疇 • • • • 海洋物理 海洋化學 海洋地學 海洋生物 海水物理性質 1. 海水佔了全球總水量的97%以上。 2. 水分子之間的氫鍵形成高表面張力，因此， 可供浮游生物懸浮而生存。 3. 水分子熱含量很高，具有高蒸發熱、凝固 熱，因此，海洋是較穩定的環境。 4. 水分子內聚力使海水具有高黏滯性。 2015/4/10 10 5.海水結成冰時，密度急速降低，使得冰漂浮 在水面。因此，即使在極區，都只有表層 結冰，下層海水並不結冰，眾多海洋生物 才得以生存 2015/4/10 11 6. 極區下沉的海水，就成為海洋深層海水循 環的來源，而且在垂直混合過程中，使得 深層海水擁有高含氧量，這些海水讓深海 生物也能獲得充足的氧氣。 2015/4/10 12 海水物理化學性質 • 1000克具有35克之溶質 • 1902 年，紐森(C., Forch,M. Knudsen, S. Sørensen)等人定 義鹽度(salinity)：溶解物質的總量-單位350/00 • P.S.U (Practical salinity unit)：35 P.S.U • 大洋鹽度範圍：34~370/00 平均 350/00 • 影響鹽度變化：1.蒸發 2.降雨 • 河口 • 紅海、波斯灣 2015/4/10 13 純水 2015/4/10 海水 14 生命出現 • 原始的海洋聚集豐富的生命化學物質，同時，海 水能阻止紫外線對生命的殺傷，成為生命的「保 護傘」。 • 根據地球上已發現的古老沉積岩的年齡，可推测 地球水圈的形成在35～38億年前。在格陵蘭、澳 洲和南非的地層發現微生物化石可追溯至35~37億 年前。 • 由於古老的生物没有硬體且難以保存，因此，有 人推斷42億年前大洋就有生命的出現。 2015/4/10 15 2015/4/10 http://www.undersea.cn/Pages/deepsea/ds_4_seawater3.html 16 現代海洋 • 早期的海洋呈酸性，會一直對原始地殼進 行溶蝕和分解，逐漸改變水體的化學性質； 更重要的是海洋中有綠色植物的出現，生 物造氧能力增强，大量游離氧可使海洋中 各种氧化反應，例如CO2化為碳酸根；使還 原性硫轉化為硫酸根，因而促使碳酸鹽岩 和硫酸鹽岩大規模沉積，海洋水體逐漸過 渡為含氯離子為主，使現代的海洋呈現略 偏鹼性。 2015/4/10 17 影響生物分佈因素 • 海洋物理化學性質 • 地理和地形 2015/4/10 18 http://www.undersea.cn/Pages/deepsea/ds_4_seawater2.html 2015/4/10 19 若按體積計算，地球表面上的陸地僅占0.5%，有絕大部分在海洋 中。其中水深大於1000公尺的深海佔78.5%，水深小於1000公尺的 淺海為21%。 2015/4/10 20 大陸邊緣 (continental margin) • 大陸邊緣是大陸與海洋之間的過渡地帶， 為海岸線到洋底盆地之間的海床，包括 四大部分： 1.大陸棚 (continental shelf) 2.大陸斜坡 (continental slope) 3.大陸隆起 (continental rise) 4.海溝 和島弧 (trench) 2015/4/10 21 2015/4/10 http://www.undersea.cn/Pages/deepsea/ds_1_biospace.html 22 海洋的平均水深是3800公尺，太平洋的馬里亞纳海溝是海洋的最 深處，深達11022公尺。根據水深，一般將海洋從海岸線到海洋 中心依次劃分為濱海、浅海、半深海和深海四種環境。 2015/4/10 http://www.undersea.cn/Pages/deepsea/ds_2_depth.html 23 海 溝 (trench) 最深的海溝為馬里亞納海溝 (11020 公尺)，最長的海溝為祕 魯智利海溝 (5900 公里) http://www.undersea.cn/Pages/deepsea/ds_2_trench.html 2015/4/10 http://www.29trip.com/jd/UploadFiles_jd/200808/20080814214652340.jpg 24 深海平原 (abyssal plain) 大洋盆地是海水最深的海域，水深一般為4600-5500公尺，而在大洋盆地中的 平坦部分，稱為深海平原，起伏坡度為1/1000以下，是世界上最平坦的地區。 2015/4/10 http://www.undersea.cn/Pages/deepsea/ds_2_basin.html 25 什麼是中洋脊？ 中洋脊位於全球海中張裂性板塊邊界的一系列火山結構系統， 也是世界上最長的山脈、海底山脈；總長度七、八萬公里，平 均寬度約一千公里。中洋脊最早發現在大西洋，剛好位於大西 洋的正中間，所以稱為中洋脊。各大洋的海底都有綿延極長的 中洋脊，有的地方伸出海面形成島嶼，如冰島。 冰島是陸地上唯一可見中洋脊地形的地方哦 2015/4/10 26 全球中洋脊分布圖 雙線段代表擴張中心(即洋脊軸部)，鋸齒粗線代表板塊聚合界線 (海溝或山脈) ，細單線代表轉型斷層界線，箭頭表示板塊運動方向。 圖片出處: Plummer, C. and McGeary, D (1991) Physical Geology, 5th edition, Chapter 1, Figure 1.11 27 2015/4/10 中洋脊 (mid-oceanic ridge) 太平洋的海底地形圖。顯示出蜿蜒的洋脊、密佈的海底火山與火山鏈、以及 環繞太平洋的深海溝。 圖片出處: Lamb, S. and Sington, D. (1998) Earth Story- The Shaping of Our World, p. 42 2015/4/10 http://dunite.mr.nsysu.edu.tw/word-6-1.htm 中洋脊的形態 中洋脊均高於兩側洋底 ，相對高差2～3千公尺。脊頂地形崎嶇不平，其上覆盖的沉積 物很薄或缺失，翼部多由海山群和深海丘陵组成。中洋脊的横断面呈很平缓的等腰三角 形，自脊頂向兩側，随着沉積層增厚，地形起伏也漸趨平緩，向外過度為深海平原。 2015/4/10 29 中洋脊脊頂有平行走向的鋸齒狀深谷，稱為中央裂谷。谷寬約25~50千公尺， 深约1～3千公尺。裂谷横斷面呈U字或V字形。中央裂谷是由一系列正斷層 的拉開、錯斷活動所形成，是地球上最大的張裂帶，因此常伴有頻繁的地震 和火山活動。 30 2015/4/10 中洋脊的地震活動 中洋脊軸部地震和火山活動頻繁，故又稱活動海岭(隆)。地震分布在中央 裂谷内，也分布在横穿中脊的斷裂帶上。震级一般不大，且為淺源地震， 主要由於這裡地幔物質上湧造成的强大拉張作用所引起。 2015/4/10 31 2015/4/10 32 2015/4/10 33 2015/4/10 http://www.kaiho.mlit.go.jp/info/books/report2007/tokushu/p028b.html 34 海底地形探測 2015/4/10 35 海底地形圖測量之演進 2015/4/10 36 現代海底地形之研究 2015/4/10 http://www1.kaiho.mlit.go.jp/KAIYO/tairiku/tairiku.test.html 37 海洋大氣與洋流 授課教師：黃銘志 授課日期：2010. 10.01 授課內容 • • • • 黑潮帶來之文化及世界洋流 海洋大氣原理 海洋、陸地與大氣 氣候變遷 颱風與海嘯 海水的運動 • 除潮汐運動是受萬有引力及天体運動所引起外， 海洋其他運動都是受太陽輻射熱直接或間接影響 所引起。如大氣受太陽輻射熱不均勻加溫引起風， 風吹水動浪起，海水開始運動。海洋運動使各地 海水差異減少，沒有運動，海水在赤道區間可能 沸騰，地中海可能是鹽池，東海可能成為『淡』 海。故海洋運動是必須的，但有些運動是可怕的。 自然力量雖難以抗拒，但科學家們期借預報來降 低災禍，甚至利用其巨大的力量，來改進人們生 活條件。如潮汐、波浪、溫差發電的研究等。海 洋運動大很可分三類，但各類亦含蓋其他運動。 2015/4/10 40 海水的运动 • 海洋是个“天然永动机”，永无休止地在 运动。海水运动主要有波浪、潮汐和洋流 三种方式。由于成因不同，洋流本身又可 分为水平方向上的表层洋流、深部洋流以 及垂向上的浊流、上升流等多种形式。引 起海水运动的动力包括风、引潮力、海水 温度差和密度差，以及地震、火山等诸多 因素。 2015/4/10 41 海水運動之一：波浪 (wave) 波的傳播方向 波 海 平 面 波 波 2015/4/10 峰 長 高 波 谷 42 波浪依其運動尺度及回復力(restoring force) 可分下列數種： 1. 2. 3. 4. 漣漪 (capillary wave)：波長（波峰至波峰）約僅數公分， 週期小於1-2秒。吹皺的水面恢復平靜的力（稱為回復力) 是表面張力。 重力波 (gravity wave) ：此即一般於海邊看到的波浪，其 週期約數秒至十數秒，波長由數公尺至數百公尺，波高亦 可達十數公尺。此類波浪的回復力是重力，故稱重力波。 海嘯 (Tsunami) ：因地震所引起的波浪，此類波於大洋中 並不很可怕，但在近岸淺水海域，波浪因淺化而波高驟增 ，可造成嚴重災害。此波於大洋中傳遞極快，每秒速度可 超過200公尺（時速逾700公里，不比飛機速度慢） 其他：慣性重力波 (inertia-gravity wave)、行星波(planetary wave )、突波(如瘋狗浪)、內波等等。 海水運動之二：潮汐 (tide) 海水的漲落在白天發生稱為潮，在晚上發生稱為汐，而潮汐是 由於月球(最主要)和太陽(次要)對海水的吸引力引起。地球上最 顯著的潮是半日潮及全日潮，又因月球繞地球轉的原因，有大 小潮的變化。又潮汐受地形影響，而各地潮高有所不同。 2015/4/10 44 海水運動之三：洋流 (ocean current) 2015/4/10 http://www1.kaiho.mlit.go.jp/KANKYO/KAIYO/kuroshio/20000622/ 45 • 1. 2. 3. 4. 洋流因運動尺度或引起運動的外力，可大致分為下列數種： 紊流 (turbulent flow) ：一般大都指較高頻、小尺度的運動。 紊流於能、熱量傳遞和衰減上扮演重要角色。 波浪引起的流(gravity-wave induced current) ：此流在海洋 工程上頗為注重，尤其是近海海底漂砂的問題。此流的流 速一般皆不大，於數公分至數十公分每秒。 潮流(tidal current) ：潮流是受月球–地球，太陽–地球間萬 有引力及相對運動所引起的，因天體運動頗俱規律性，故 潮流是所有流場中較容易預報。 風吹流(wind-driven current) ：風吹流為海洋上層的主要海 流。一般wind-driven current 指較小尺度的運動，而風聲環 流(wind-driven circulation) 指較大尺度的運動。黑潮、灣 流、赤道流等皆屬於此類流。 2015/4/10 46 全球信風帶 • 由於地球加熱不均與自轉科氏力的影響， 產生三大循環 • Hadley cells, Ferrel cells, Polar cell三大循 環 海洋大氣與洋流 http://www.undersea.cn/Pages/deepsea/ds_3_surfacecurrent.html 2015/4/10 48 表層流 2015/4/10 http://www.undersea.cn/Pages/deepsea/ds_3_surfacecurrent.html 49 2015/4/10 http://home.hiroshima-u.ac.jp/er/Resources/Image977.gif 50 2015/4/10 http://kitchom.ed.oita-u.ac.jp/~kankyo/nishigaki/cn6/index.html 51 2015/4/10 http://www.aoikuma.com/image/kairyu.gif 52 2015/4/10 53 洋流 • 海水的溫度與鹽度有相當的變化，造成海 水的密度有所不同，引發海水在垂直方向 上的流動。地球靠南、北兩極地區的海水 因溫度低而持續沉降，將冷而重的海水送 到深層。這些深層的海水逐漸又會因為要 補充表面流失的海水而湧升再回到水面， 形成流動極為緩慢的「溫鹽環流」。 2015/4/10 54 溫鹽環流 (thermohaline circulation) • 海洋溫鹽環流的一大特徵是，表層海水先下沈到中層或 底層，然後往水平方向流動，極區海水受冷而下降，在 深層往赤道方向擴散,然後在低緯度海域上升，到了表層 就跟風生海流一起流向高緯度地區。 2015/4/10 55 全球海洋輸送帶 •「溫鹽環流」流經全球各大洋，被稱為「全球海洋運輸帶」。 •它的源頭 (紅色箭頭處) 起於北大西洋北端冷而密度高的海水，沉降到大 西洋深部 (藍帶)，並向南移到南大西洋南端，和南極底流結合而東進， 一部份向北流入印度洋，湧升而與上層海水混合，另一部份進入太平洋 再向北，到北太平洋時再湧升，形成表面的回流 (紅帶)。這股溫度已高 ，鹽度較低的回流向西經印度洋回到大西洋北端，再經冷卻作用而沉降 ，形成循環於三大洋中的環流。 2015/4/10 http://www.undersea.cn/Pages/deepsea/ds_1_biospace.html 56 全球海流系统 2015/4/10 http://www.undersea.cn/image/deepsea/current.jpg 57 洋流-深層流 (deep southerly return flow) • 早期人們相信海洋深層是黑暗且寧靜的世 界。30年代有人通過計算，發現各處洋底 的海水間存在密度差，推測由此可導致海 水間的流動。60年代後，通過海底攝影、 測流儀和濁度儀等設備儀器，在4000~5000 公尺海底發現海水流動的證據，表明深海 並非靜止不動，反而是存在著强大的深部 洋流。 2015/4/10 58 深層冷洋流 藍色為深層冷洋流 紅色為表層暖洋流 深部洋流是靠密度差引起的。海水的密度取決於水的鹽度 和温度，不受重力作用影響，無需自上而下流动，而是沿 洋盆邊緣流動，甚至可以向上流動。 59 2015/4/10 3000公尺深水的年齡 • 海水是有年齡的, 可透過海水中的放射性碳 14元素來測定。對全球同樣3000公尺深的 海水進行年齡測定, 發現北大西洋最年輕， 而北太平洋最古老，2000歲左右, 也就是所 謂的千歲海水。此種結果表明全球的海水 在不停的交换，海洋輸送帶的假說是有根 據的。 2015/4/10 60 3000米深水的C-14年龄 2015/4/10 61 洋流-湧升／下沈流 (upwelling/downwelling) • 湧升／下沈流(upwelling/downwelling) ：此 流只是其他環流中垂直方向的流場，但因 湧升流將下層海域的養份及冷水帶至上層 海域，對漁業及氣候上有重大影響而受人 們重視。 2015/4/10 62 上升流 • 上升流通常發生在沿岸地區，是一種垂直向上 逆向運動的洋流。由於受風力吹送，將表層海 水推離海岸，致使海面略微下降，為達到水壓 的平衡，深層海水就會上升補償水壓，形成上 升流。 • 上升流將次表層水帶的營養物質帶進到表層， 肥畫了表層的透光帶，低等藻類也因此得以生 長，更是興盛了食物鍊中各類高級生物形成大 型的漁場。 2015/4/10 http://www.undersea.cn/Pages/deepsea/ds_3_upwelling.html 63 自然光 美國東岸上升流 葉綠素 2015/4/10 http://www.undersea.cn/image/deepsea/upwelling2.jpg 64 海洋環流與海流 • 海流與環流二者並無一定的分野，海流泛 指所有海水的流動（如潮流，沿岸流、風 吹流等），而環流泛指大尺度的海流（如 黑潮），於此節海流泛指引起其運動動力 因素較單純的海水流動，環流的動力因素 則較為複離。 2015/4/10 65