海水折射率与温度、盐度关系的实验研究

赵鲁梅 何 仲 黄槐仁 程勇聪 云博进

海南热带海洋学院理学院 海南三亚 572022

海南省海域面积约200万平方公里，管辖着全国三分之二的海域面积，海洋生物、海洋渔业、海洋油气、海洋旅游和海洋空间等资源丰富。海洋是海南得天独厚的资源，海洋规律的研究及海水参数的获取有利于提高海洋资源的利用率。海水折射率作为海—气交界面光学性质的一个重要指标，对研究海洋光学、海洋动力学及海气相互作用[1]有重大意义，同时也有助于海南海洋资源的开发利用。目前，海水折射率的常见测量方法有激光照射法[2]、衍射法[3,4]、掠面入射法[5]、光学临界角法等[1,6-8]。激光照射法和衍射法都是利用光的折射现象来测量折射率，原理简单，操作方便，适合工业上的在线测试[9]，但折射率的测量精度有局限性；基于全反射原理的光学临界角法能应用于各种复杂场合，且精度较好；掠面入射法所需待测溶液非常少，操作简单，精度高，应用最广泛。本论文的测量原理基于掠面入射法，利用阿贝折射仪测量不同温度和盐度下的海水折射率，并利用Origin软件对实验数据进行数值分析和模拟。

1 实验

1.1 仪器材料

2WA-J阿贝折射仪，超级恒温槽，蒸馏水，三亚湾海水，大东海海水，亚龙湾海水，海水晶，盐度计，电子秤，量筒，烧杯，搅拌棒。

1.2 实验方法

若光线从光密介质进入光疏介质，入射角θ1小于折射角θ2，改变入射角θ1可以使折射角θ2达到90°，此时的入射角称为临界角。阿贝折射仪就是利用测定临界角的原理来设计的，其原理示意图如图1所示。其中待测溶液(海水或模拟海水)的折射率记为n1，折射棱镜材料的折射率记为n2，且有n1＜n2。

图1 阿贝折射仪原理示意图

当入射光(日光)自待测液体(海水)中以90°入射时，在折射棱镜中的折射角即为全反射临界角α。然后，再经一次折射后，以折射角i从BC面出射至空气中，进而进入望远系统。当入射光(日光)以小于90°的不同角度入射时，所有出射角都将大于i；当入射光(日光)以大于90°的不同角度入射时，所有入射光线都被棱镜的金属外套挡住，无法进入折射棱镜。于是，在阿贝折射仪的望远镜中可观察到明暗两部分视场。

根据折射定律

以临界角入射时，

由平面几何，可知

联立式(1)(2)和(3)，可推得

式(4)中，φ为折射棱镜入射面AB与出射面BC的夹角。

式(4)中φ，n2已知，只要测得临界角i，就可算得待测液体的折射率n1。而阿贝折射仪刻度盘上刻有与临界角i相对应的n1值，故可直接从刻度盘上读出待测溶液的折射率。

1.3 溶液配制

在36℃的温度下，利用电子秤将蒸馏水和海水晶配制成浓度为30‰～38‰的海水溶液，每隔1‰盐度进行测量。

2 结果与讨论

2.1 海水折射率与温度的关系

三亚地处热带，终年气温高，最冷的2月平均16～20℃，最热的8月平均25～29℃，极端高温天气为35.7℃。因此，海水折射率的测温范围取为16～36℃。此外，在实际海洋工况条件下，不同海域海水折射率不同，同一海域的不同季节(温度变化)海水折射率也会变化[10-12]。因此，实验前分别在三亚湾、大东海和亚龙湾的浅海域取样。实验中，利用海水盐度计测量三亚湾、大东海和亚龙湾海水的盐度分别为33.8，34.0和34.1[13]。

实验前，将阿贝折射仪放在光亮处，将超级恒温槽接入阿贝折射仪的恒温器接头，并通入恒温水，恒温在所需温度。实验时，三亚湾海水、大东海海水和亚龙湾海水在16～36℃的折射率，每隔2℃进行测量，各重复测量6次，具体实验结果如图2～图4所示。

图2 不同温度下三亚湾海水折射率变化

图3 不同温度下大东海海水折射率变化

图4 不同温度下亚龙湾海水折射率变化

在实验中发现，三亚湾、大东海和亚龙湾海水的折射率均与温度基本呈线性关系，通过对图2、图3和图4中的实验结果进行线性拟合，其结果分别为：n=1.344 82— 0.000 2T，n=1.344 63— 0.000 2T和n=1.344 55—0.000 2T，其中T表示温度，n表示海水折射率。上述拟合结果表明，在16～36℃时，温度每升高1℃，海水折射率约降低2×10-4，这与文献[1]报道的结果一致。

2.2 海水折射率与盐度的关系

在36℃时，测量盐度为30‰～38‰的模拟海水折射率，每隔1‰进行测量，各重复测量6次，具体实验结果及其拟合曲线如图5所示。

图5 不同盐度下模拟海水折射率

由图5可以看出，在恒定温度(36℃)时，模拟海水折射率与盐度呈线性关系，线性拟合方程的斜率为0.000 2，截距为1.330 43。该拟合结果表明，在温度不变时，模拟海水折射率随着盐度增加而增大，盐度每变化1‰，模拟海水折射率增大2×10-4，这与文献[5,14,15]报道相符。同时，结合图2、图3和图4还可以发现，在温度恒定的情况下，随着海水盐度的增加(S三亚湾＜S大东海＜S亚龙湾)，海水折射率增大(n三亚湾＞n大东海＞n亚龙湾)，但不符合上述模拟海水的线性规律。这是由海水成分复杂，包含可溶有机物、悬移质、浮游生物等[16]而导致。此外，还可能与取样位置(浅海域)有关，这是因为浅海域海水中的污染物较多。

3 结论

(1)在盐度恒定时，三亚湾海水(33.8‰)、大东海海水(34.0‰)和亚龙湾海水(34.1‰)的折射率均随温度升高而降低，但下降幅度不大。同时还发现，海水折射率与温度呈负线性关系，可计算出三亚湾、大东海和亚龙湾海水的折射率分别为n=1.344 82— 0.000 2T，n=1.3446 3— 0.000 2T和n=1.344 55— 0.000 2T。上述拟合结果表明，在盐度不变的情况下，海水折射率均随着温度升高而降低，温度每变化1℃，折射率变化2×10-4。

(2)在温度恒定时，模拟海水折射率与盐度呈正线性相关，模拟海水折射率随盐度增加而略有增大。通过对实验结果进行线性拟合n=0.000 2S+1.330 43，结果发现，在温度不变的情况下，模拟海水折射率随着盐度增加而增大，盐度每变化1‰，折射率变化2×10-4。同时还发现，同一温度下，三亚湾、大东海和亚龙湾海水随着盐度的增加(S三亚湾＜S大东海＜S亚龙湾)，其折射率增大(n三亚湾＞n大东海＞n亚龙湾)，但不符合线性规律。这是由海水成分复杂，包含可溶有机物、悬移质、浮游生物等[16]而导致；同时，还可能与浅海域海水(取样位置)中的污染物较多有关。