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 2017/3/12.

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1 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： 2017/3/12

2 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

3 地球的形成 http://www.undersea.cn/Pages/deepsea/ds_4_oceanorigin.html
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5 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。 2017/3/12

6 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。 2017/3/12

7 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
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%。 2017/3/12

8 海洋 (ocean) 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
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9 海洋學的範疇 海洋物理 海洋化學 海洋地學 海洋生物

10 海水物理性質 海水佔了全球總水量的97%以上。 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。
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。 水分子內聚力使海水具有高黏滯性。 2017/3/12

11 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
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12 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。
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13 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 2017/3/12

14 純水 海水 2017/3/12

15 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。 2017/3/12

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17 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。 2017/3/12

18 影響生物分佈因素 海洋物理化學性質 地理和地形 2017/3/12

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20 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
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%。 2017/3/12

21 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： 大陸棚 (continental shelf) 大陸斜坡 (continental slope) 大陸隆起 (continental rise) 海溝 和島弧 (trench) 2017/3/12

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23 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。
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24 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)
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25 深海平原 (abyssal plain) 大洋盆地是海水最深的海域，水深一般為 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。 2017/3/12

26 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 2017/3/12

27 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 2017/3/12

28 中洋脊 (mid-oceanic ridge)
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29 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。 2017/3/12

30 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。 2017/3/12

31 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。 2017/3/12

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35 海底地形探測 2017/3/12

36 海底地形圖測量之演進 2017/3/12

37 現代海底地形之研究 http://www1.kaiho.mlit.go.jp/KAIYO/tairiku/tairiku.test.html
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38 海洋大氣與洋流 授課教師：黃銘志 授課日期：

39 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

40 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。  2017/3/12

41 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。 2017/3/12

42 海水運動之一：波浪 (wave) 波的傳播方向 海 平 面 波 長 波 高 波 峰 波 谷 2017/3/12

43 波浪依其運動尺度及回復力(restoring force) 可分下列數種：
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。

44 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。 2017/3/12

45 海水運動之三：洋流 (ocean current)
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46 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。 2017/3/12

47 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

48 海洋大氣與洋流 http://www.undersea.cn/Pages/deepsea/ds_3_surfacecurrent.html
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49 表層流 http://www.undersea.cn/Pages/deepsea/ds_3_surfacecurrent.html
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54 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」。 2017/3/12

55 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。 2017/3/12

56 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。 2017/3/12 56

57 全球海流系统 2017/3/12 57

58 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。 2017/3/12

59 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。
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。 2017/3/12

60 年齡的秘密!! 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。 2017/3/12

61 3000米深水的C-14年龄 2017/3/12

62 洋流-湧升／下沈流(upwelling/downwelling)
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63 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。 2017/3/12

64 自然光 美國東岸上升流 葉綠素 http://www.undersea.cn/image/deepsea/upwelling2.jpg
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65 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。 2017/3/12