海水折射率與溫度、鹽度關系的實驗研究

趙魯梅 何 仲 黃槐仁 程勇聰 云博進

海南熱帶海洋學院理學院 海南三亞 572022

海南省海域面積約200萬平方公里，管轄著全國三分之二的海域面積，海洋生物、海洋漁業(yè)、海洋油氣、海洋旅游和海洋空間等資源豐富。海洋是海南得天獨厚的資源，海洋規(guī)律的研究及海水參數(shù)的獲取有利于提高海洋資源的利用率。海水折射率作為?！獨饨唤缑婀鈱W性質的一個重要指標，對研究海洋光學、海洋動力學及海氣相互作用[1]有重大意義，同時也有助于海南海洋資源的開發(fā)利用。目前，海水折射率的常見測量方法有激光照射法[2]、衍射法[3,4]、掠面入射法[5]、光學臨界角法等[1,6-8]。激光照射法和衍射法都是利用光的折射現(xiàn)象來測量折射率，原理簡單，操作方便，適合工業(yè)上的在線測試[9]，但折射率的測量精度有局限性；基于全反射原理的光學臨界角法能應用于各種復雜場合，且精度較好；掠面入射法所需待測溶液非常少，操作簡單，精度高，應用最廣泛。本論文的測量原理基于掠面入射法，利用阿貝折射儀測量不同溫度和鹽度下的海水折射率，并利用Origin軟件對實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)值分析和模擬。

1 實驗

1.1 儀器材料

2WA-J阿貝折射儀，超級恒溫槽，蒸餾水，三亞灣海水，大東海海水，亞龍灣海水，海水晶，鹽度計，電子秤，量筒，燒杯，攪拌棒。

1.2 實驗方法

若光線從光密介質進入光疏介質，入射角θ1小于折射角θ2，改變入射角θ1可以使折射角θ2達到90°，此時的入射角稱為臨界角。阿貝折射儀就是利用測定臨界角的原理來設計的，其原理示意圖如圖1所示。其中待測溶液(海水或模擬海水)的折射率記為n1，折射棱鏡材料的折射率記為n2，且有n1＜n2。

圖1 阿貝折射儀原理示意圖

當入射光(日光)自待測液體(海水)中以90°入射時，在折射棱鏡中的折射角即為全反射臨界角α。然后，再經(jīng)一次折射后，以折射角i從BC面出射至空氣中，進而進入望遠系統(tǒng)。當入射光(日光)以小于90°的不同角度入射時，所有出射角都將大于i；當入射光(日光)以大于90°的不同角度入射時，所有入射光線都被棱鏡的金屬外套擋住，無法進入折射棱鏡。于是，在阿貝折射儀的望遠鏡中可觀察到明暗兩部分視場。

根據(jù)折射定律

以臨界角入射時，

由平面幾何，可知

聯(lián)立式(1)(2)和(3)，可推得

式(4)中，φ為折射棱鏡入射面AB與出射面BC的夾角。

式(4)中φ，n2已知，只要測得臨界角i，就可算得待測液體的折射率n1。而阿貝折射儀刻度盤上刻有與臨界角i相對應的n1值，故可直接從刻度盤上讀出待測溶液的折射率。

1.3 溶液配制

在36℃的溫度下，利用電子秤將蒸餾水和海水晶配制成濃度為30‰～38‰的海水溶液，每隔1‰鹽度進行測量。

2 結果與討論

2.1 海水折射率與溫度的關系

三亞地處熱帶，終年氣溫高，最冷的2月平均16～20℃，最熱的8月平均25～29℃，極端高溫天氣為35.7℃。因此，海水折射率的測溫范圍取為16～36℃。此外，在實際海洋工況條件下，不同海域海水折射率不同，同一海域的不同季節(jié)(溫度變化)海水折射率也會變化[10-12]。因此，實驗前分別在三亞灣、大東海和亞龍灣的淺海域取樣。實驗中，利用海水鹽度計測量三亞灣、大東海和亞龍灣海水的鹽度分別為33.8，34.0和34.1[13]。

實驗前，將阿貝折射儀放在光亮處，將超級恒溫槽接入阿貝折射儀的恒溫器接頭，并通入恒溫水，恒溫在所需溫度。實驗時，三亞灣海水、大東海海水和亞龍灣海水在16～36℃的折射率，每隔2℃進行測量，各重復測量6次，具體實驗結果如圖2～圖4所示。

圖2 不同溫度下三亞灣海水折射率變化

圖3 不同溫度下大東海海水折射率變化

圖4 不同溫度下亞龍灣海水折射率變化

在實驗中發(fā)現(xiàn)，三亞灣、大東海和亞龍灣海水的折射率均與溫度基本呈線性關系，通過對圖2、圖3和圖4中的實驗結果進行線性擬合，其結果分別為：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表示溫度，n表示海水折射率。上述擬合結果表明，在16～36℃時，溫度每升高1℃，海水折射率約降低2×10-4，這與文獻[1]報道的結果一致。

2.2 海水折射率與鹽度的關系

在36℃時，測量鹽度為30‰～38‰的模擬海水折射率，每隔1‰進行測量，各重復測量6次，具體實驗結果及其擬合曲線如圖5所示。

圖5 不同鹽度下模擬海水折射率

由圖5可以看出，在恒定溫度(36℃)時，模擬海水折射率與鹽度呈線性關系，線性擬合方程的斜率為0.000 2，截距為1.330 43。該擬合結果表明，在溫度不變時，模擬海水折射率隨著鹽度增加而增大，鹽度每變化1‰，模擬海水折射率增大2×10-4，這與文獻[5,14,15]報道相符。同時，結合圖2、圖3和圖4還可以發(fā)現(xiàn)，在溫度恒定的情況下，隨著海水鹽度的增加(S三亞灣＜S大東海＜S亞龍灣)，海水折射率增大(n三亞灣＞n大東海＞n亞龍灣)，但不符合上述模擬海水的線性規(guī)律。這是由海水成分復雜，包含可溶有機物、懸移質、浮游生物等[16]而導致。此外，還可能與取樣位置(淺海域)有關，這是因為淺海域海水中的污染物較多。

3 結論

(1)在鹽度恒定時，三亞灣海水(33.8‰)、大東海海水(34.0‰)和亞龍灣海水(34.1‰)的折射率均隨溫度升高而降低，但下降幅度不大。同時還發(fā)現(xiàn)，海水折射率與溫度呈負線性關系，可計算出三亞灣、大東海和亞龍灣海水的折射率分別為n=1.344 82— 0.000 2T，n=1.3446 3— 0.000 2T和n=1.344 55— 0.000 2T。上述擬合結果表明，在鹽度不變的情況下，海水折射率均隨著溫度升高而降低，溫度每變化1℃，折射率變化2×10-4。

(2)在溫度恒定時，模擬海水折射率與鹽度呈正線性相關，模擬海水折射率隨鹽度增加而略有增大。通過對實驗結果進行線性擬合n=0.000 2S+1.330 43，結果發(fā)現(xiàn)，在溫度不變的情況下，模擬海水折射率隨著鹽度增加而增大，鹽度每變化1‰，折射率變化2×10-4。同時還發(fā)現(xiàn)，同一溫度下，三亞灣、大東海和亞龍灣海水隨著鹽度的增加(S三亞灣＜S大東海＜S亞龍灣)，其折射率增大(n三亞灣＞n大東海＞n亞龍灣)，但不符合線性規(guī)律。這是由海水成分復雜，包含可溶有機物、懸移質、浮游生物等[16]而導致；同時，還可能與淺海域海水(取樣位置)中的污染物較多有關。