海水的物理特性和世界大洋的層化結構
海水的主要熱學和力學性質
海水是一種溶解有多種無機鹽、有機物質和氣體以及含有許多懸浮物質的混合液體。迄今已測定海水中含有80餘種元素。就大多數海水而言，溶解無機鹽的總含量約占3.5％左右，這就使海水的一些物理性質同純水相比有許多差異。然而海水中的純水畢竟占絕大部分，因此有必要首先介紹純水的某些特性，然後再討論海水的情況。
純水的特性
一、水分子的結構特殊
水分子是由一個氧原子和兩個氫原子組成的。假如兩個氫原子和氧原子如圖3-1那樣簡單地結合在一起，那麼，正、負電荷的極性可恰好抵消。水分子的結構卻如圖3-2那樣呈不對稱結構，正、負極性不能相互抵消，所以水分子是極性分子。各水分子之間因極性又互相結合，形成比較複雜的水分子，但水的化學性質並未改變，這種現象稱為水分子的締合。締合分子與溫度有關，溫度升高時促使締合分子離解，溫度降低時有利於分子締合，從而導致水與其它液體或其它氧族元素的氫化物相比，在性質上產生異常。
二、水的溶解力很強
水是一種很好的溶劑，溶解能力很強。其原因是水分子有很強的極性，容易吸引溶質表麵的分子或離子，使其脫離溶質的表麵進入水中，海水正是水溶解了許多物質的一種複雜溶液，所以其性質與純水有差異。
三、水的密度變化有反常
“熱脹冷縮”是一般物質的性質。純水在大氣壓力下，溫度4℃時密度最大，等於1000kg·m-3；在4℃以上時，密度隨溫度的降低而增大，但在4℃以下時卻隨溫度的降低而減小，即所謂“反常膨脹”。水結冰時體積增大，密度減小，可達916.7kg·m-3，所以冰總是浮在水麵上。
水的密度隨溫度的這種不正常變化，是由水分子的締合造成的。因為溫度低於4℃時，有利於水分子的締合；凍結為冰時，這些水分子則全部締合成一個巨大的分子締合體，稱為分子晶體。由於其晶格結構排列鬆散，故密度減小。當水溫從0℃升至4℃以前，主要過程是較大的締合分子逐漸地離解成為較小的締合分子，所以體積收縮，密度增大；高於4℃以後，由於水分子的熱運動加強，導致體積膨脹，所以密度又隨溫度的增高而減小。因此純水在4℃時具有最大的密度。
四、水的熱性質特殊
與其它液體相比，水的熱性質有許多異常。同是氧族的氫化物，但水(H2O)與H2S、H2Se和H2Te相比，水的熔點、沸點、比熱、蒸發潛熱和表麵張力值等都比氧的同族化合物高。例如，在同族化合物中，一般是隨著相對分子質量的增大，其熔點和沸點溫度相應升高。水的相對分子質量最小，其理論上的熔點和沸點應分別為-90℃和-80℃左右(圖3-3)，而實際上卻分別為0℃和100℃。其原因就在於在熔化和汽化時，締合分子的離解需要消耗較多的能量。
海水的鹽度
海水中的含鹽量是海水濃度的標誌，海洋中的許多現象和過程都與其分布和變化息息相關。但要精確地測定海水中的絕對鹽量是一件十分困難的事情。長期以來人們對此進行了廣泛的研究和討論，引進了“鹽度”以近似地表示海水的含鹽量。
一、基於化學方法的鹽度的首次定義
1902年，Knudsen等人基於化學分析測定方法，定義鹽度為：“1kg海水中的碳酸鹽全部轉換成氧化物，溴和碘以氯當量置換，有機物全部氧化之後所剩固體物質的總克數。”單位是g/kg，用符號‰表示。
按上述方法測定鹽度相當煩瑣。1891年馬賽特發現“海水組成恒定性”——海水中的主要成分在水樣中的含量雖然不同，但它們之間的比值是近似恒定的。據此，如果能測定出海水中某一主要成分的含量，便可推算出海水鹽度。
已知海水中的氯含量最多，且可方便地用AgNO3滴定法加以測定，基於海水組成恒定性規律，歸納出用測定海水氯含量的方法來計算鹽度的公式：
S‰=0.030＋1.8050Cl‰(3-1)
稱為Knudsen鹽度公式，式中Cl‰稱為海水的“氯度”，即“1kg海水中的溴和碘以氯當量置換，氯離子的總克數。”單位是克每千克，以‰號表示。可見氯度的量值要稍大於海水的實際氯含量。
用AgNO3滴定法測定海水的氯度時，需要知道AgNO3的濃度，國際上統一使用一種其氯度值精確為19.374‰的大洋水作為標準，稱為標準海水。其鹽度值對應為35.000‰。
二、鹽度的重新定義
依式(3-1)計算鹽度是很方便的，它一直延續使用到20世紀60年代。
隨著電導鹽度計的問世，測定鹽度的方法更為方便，且精度大為提高。考克斯等(CoxR.A.etal.，1967)對由大洋和不同海區不深於100m水層內采集的135個水樣，準確地測定其氯度值計算鹽度，同時測定水樣的電導比R15，得出鹽度S‰與電導比R15有關係式：
式中R15為15℃，“一個標準大氣壓”(101325Pa)下，水樣的電導率C(S，15，0)與鹽度精確為35.000‰(Cl‰=19.374‰)的標準海水電導率C(35，15，0)之比值。依此方法測定鹽度的精度高且速度快。因此，國際“海洋學常用表和標準聯合專家小組”(JPOTS)於1969年推薦該式為海水鹽度的新定義。
為使鹽度的測定脫離對氯度測定的依賴，JPOTS又提出了1978年實用鹽度標度(thePracticalSalinityScale，1978)，並建立了計算公式，編製了查算表，自1982年1月起在國際上推行。
(一)建立實用鹽度的固定參考點
實用鹽度仍然是用電導率測定的。為使海水的鹽度值與氯度脫鉤，所以選擇一種精確濃度的氯化鉀(KCl)溶液作為可再製的電導標準，用海水相對於KCl溶液的電導比來確定海水的鹽度值。
為保持鹽度曆史資料與實用鹽度資料的連續性，仍采用原來氯度為19.374‰的國際標準海水為實用鹽度35.000‰的參考點。配製一種濃度為32.4356‰高純度的KCl溶液，它在“一個標準大氣壓力”下，溫度為15℃時，與氯度為19.374‰(鹽度為35.000‰)的國際標準海水在同壓同溫條件下的電導率恰好相同，它們的電導比
也就是說，當K15=1時，標準KCl溶液的電導率對應鹽度為35.000‰。把這一點作為實用鹽度的固定參考點。
(二)實用鹽度的計算公式
式中K15是在“一個標準大氣壓力”下，溫度15℃時，海水樣品的電導率與標準KCl溶液的電導率之比。式中a0=0.0080，a1=-0.1692，a2=25.3851，a3=14.0941，a4=-7.0261，a5=2.7081；ai=35.0000；適用範圍為2≤S≤42。
實用鹽度不再使用符號“‰”，因而實用鹽度是舊鹽度的1000倍。
由於海水的絕對鹽度(SA)——海水中溶質的質量與海水質量之比值，是無法直接測量的，它與測定的鹽度S顯然有差異，因此也稱S為實用鹽度(PSU)。