第二节  水圈

水圈（hydrosphere）是指由地球表层水体所构成的连续圈层。水（water）是组成自然界最重要的物质之一，是一切生物生存必不可少的物质条件，对地球表层环境的形成和改造起到重要的作用。

一、水圈的组成

（一）水的分布

自然界的水以气态、固态和液态三种形式存在于大气圈、生物圈、海洋与大陆表层之中。地球水体的总质量为1.5×1018t，体积约1.4×1018m3，其中，海洋水约占97.212％，大陆表面水约占2.167％，地下水为0.619％，大气水占0.001％（表2.2）。从表中可以看出，地球上水体的分布是极不均匀的，能被人类饮用的淡水只占所有水体的一小部分，而且大部分又为固结在两极及高山地区的固态水。如果设想将地球表面全部削平，水圈的水体足以覆盖整个地球达2700多m厚。

（二）水的类型

水的分类方案很多，主要是根据研究任务、目的、内容不同对水采取不同的分类，如按水的存在形式可分为汽态水、液态水和固态水；依水中的含盐量又可分为咸水、半咸水和淡水。若按天然水所处的环境不同可分为：海水、大气水和陆地水3类。

1.海水（sea  water）

海洋是地球表面最大的积水盆地，是水圈的主体。

表2.2  地球上水的分布

（1）海水的性质

海水的物理性质  海水的物理性质主要包括海水的温度、密度、压力和透明度。海水的温度常随纬度和水深的变化而变化，低纬度地区的海水温度较高；深部的海水温度较稳定，常在（-1～4）℃之间，而表层的海水温度变化较大。海水的密度取决于海水的盐度和温度，0℃时，正常盐度（35‰）的海水密度为1.02g/cm3，密度随盐度的增加而增加但随温度的增高而降低。通常深部海水的密度较大，而浅处较小；近岸边的较大，而海洋中心的较小。海水的压力是指海水自重产生的静压力，海水每加深10m  约增加105  Pa。海水的透明度是指海水透过光线的能力，一般近岸带的海水透明度低，而远岸的海水透明度高。

海水的化学性质  海水中含有多种化学元素，目前已知的有72种，但常见和含量较高的有12种（除  H、O以外），它们是Cl、Na、Mg、S、Ca、K、Br、C、Sr、B、Si、F。这12种元素的含量约占海水中除O、H以外的所有元素含量的99.8％。海水中常见的盐类是NaCl，其次是MgCl、MgSO4、CaSO4、K2SO4和CaCO3。海水中溶解的全部盐类物质与海水重量之比称为盐度，以千分率（‰）表示。大洋中的盐度介于33‰～37‰之间，通常以35‰代表海洋的标准盐度。如果明显高于35‰的海洋称咸化海，如红海的盐度大于40‰；低于这个数值的称淡化海，如波罗的海的盐度小于10‰。海水中溶解的气体有O2、N2、CO2、H2S等，O2主要分布于海水的表层和近岸地带；H2S通常聚集在海水流动不畅的海域，如海湾或海底；CO2在海水中分布较广。

（2）海水的运动

海水在风、日月（天体）引力、地震、火山爆发、太阳能等种种因素的影响下，使其处于不停地运动之中。海水的运动有波浪、潮汐、海流（洋流）和浊流等几种形式。

波浪（sea  wave）波浪是海水最基本的运动形式。当风刮过海面时，风与海水面之间产生摩擦力，使海水产生运动形成波浪。海水运动时，水质点基本上绕某个平衡位置作圆周运动，只是向前移动很小的距离（图略）。水质点作圆周运动时，当运动到最高点就形成波峰，运动到最低点就构成波谷，而波高就相当于水质点运动圆周的直径。在水的内摩擦力（粘滞力）的作用下，一个水质点就带动下一个水质点运动，并依次传递下去，就形成波浪，使水面呈波状起伏（图略）。水质点的动能同时也向水面以下传递，但由于水深增加，压力加大，内摩擦力增加，亦即阻力增加，所以水质点的运动圆周随水深增加变得越来越小。实验证明，水质点运动圆周的直径的减小与波长为函数关系，当水深相当于1/9波长时，在该点水质点运动直径为1/2波高；当水深达1/2波长时，水质点的运动圆周直径仅为0.04波高，即波浪运动已很微弱了，一般把此深度认为是波浪作用的下限。地震、火山喷发可释放出巨大的能量，使海水强烈运动，产生汹涌的海浪，波高可达几十米，这种海浪称海啸。

潮汐（tide）全球性海水周期性涨落现象叫潮汐。潮汐是海水在引潮力作用下形成的。引潮力主要是月球、太阳对地球的引力和地球绕地-月系质心旋转、绕太阳公转的惯性离心力的合力，所以引潮力主要包括太阳-地球间的引潮力和地球-月球间的引潮力两部分。由于月球距地球较近，是引潮力的主体部分；太阳的质量虽然很大，但由于距离地球太远，其引潮力仅为月球的46.6％。以地球-月球间的引潮力为例（图略），月球对地球上每一点的引力大小是各不相同的，以地-月质心连线上的对月点为最大、背月点为最小，地心处为平均值，方向总是指向月心；而地球绕地-月系质心绕转产生的惯性离心力，在地球上各点大小相等（等于月球对地心处的平均引力值），方向相同，但与月球对地心的引力方向相反；引力与离心力的合力构成引潮力。该合力在对月点和背月点最大，且方向垂直指向球面外空间，因而可使海面上升凸起，发生涨潮，当海面达到最高点时称高潮；而在距对月点、背月点方位角为90°的地区，合力最小形成落潮，当海面达最低点时称为低潮。由于地球的自转，地球上同一地点一天内可出现两次涨潮和落潮。同时，太阳的引潮力也可引起潮汐现象。如果当月球、太阳、地球处在一条直线上（朔、望月）时，可出现高潮特高、低潮特低的大潮，而在上、下弦月时，日、月对地球的引潮力相互抵消，出现小潮。潮汐在中低纬度地区较发育，向两极逐渐减弱。由潮汐引起的海面高度变化迫使海水作大规模水平运动，称为潮流。涨潮时潮水涌向陆地，落潮时潮水退回外海。在平坦的海岸带，潮水的涨落可影响到相当宽的范围；在狭窄的海峡、海湾、河口区，潮流可形成汹涌的潮浪，如我国的钱塘江口。

海流（洋流）（ocean  current）大洋中沿一定方向有规律移动的海水称海流（洋流）。它好像大洋中的一条河流，宽度从几十公里到百公里以上，涉及的水层厚度可达数百米，流程长达几千甚至上万公里，流速一般每小时数公里，流径一般不易改变（图略）。洋流又可分表层洋流和深层洋流。表层洋流主要由信风及海水密度差引起，方向以水平运动为主。根据流动水体的温度与周围水体的温度差异又可分为暖流和寒流。暖流一般由低纬度流向高纬度，寒流一般由高纬度流向低纬度。如著名的太平洋北赤道海流流程长达13000km，海水由中美洲西岸沿北纬10°～20°之间西流，直到亚洲东部菲律宾；再由此向北偏转，经我国台湾岛东岸、琉球群岛西侧，直达日本东岸，称黑潮（或台湾暖流、日本暖流）；黑潮在日本北海道东侧与千岛寒流（也称亲潮）相遇后再折向东，流向阿拉斯加；进而再沿北美洲西岸南流形成寒流，补偿赤道附近流走的海水。深层洋流主要由海水温度和盐度差异引起，方向有水平的和垂直的运动。例如在大西洋，海水由格陵兰附近下沉，沿海底穿过赤道，至阿根廷东部上升，再由表层流回北方。

浊流（turbidity  current）浊流是海洋（或湖泊）中载有大量悬浮物质的高密度水下重力流。其比重介于1.2～2.0之间，常携带大量粘土、砂及砾石。浊流一般形成于大陆架外缘、大陆坡上部或河口三角洲前缘，因那里的海底坡度较大，且有大量未固结的沉积物。浊流多由地震、火山等因素引发，在重力的作用下常以巨大的惯性“一泻千里”地穿过大陆坡，直达深海平原，其流速可达20～30m/s，因而具有较大的剥蚀、搬运能力。
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