盐度测量

在海洋学研究中，海水密度是描述其特征的一个重要参数；海洋中的各种现象，如大洋环流深海密度流以及水声传播，都与海洋中海水密度的分布与变化规律密切相关。而海洋生态环境也受盐度的重要影响。

海水盐度标准[1][2]：

海水的盐度是海洋的一项基本参数。由于盐度本身所具有的特珠的重要性,几百年来,人们一直在研究它通过坚特不懈的实践, ,探索盐度的实质,逼近绝对盐度(绝对盐度定义为:海水中溶解盐的质量时海水质量的比。实际上,直接测量绝对盐度是极其困难的。我们通常测定的盐度本质上只是实用盐度。

1902年，根据海水主要成分的比值近似恒定\"基于化学方法的氯度盐使用了65年。

1967年，盐度重新定义\"给出盐度与氯度新关系式和盐度与相对电导率关系式 ，使用11年。

1978年，作为当前水平的一个重要标志,就是联合国教科文组织(UNESCO)、国际海洋考察理事会(ICES)、海洋研究科学委员会(SCOR)和国际海洋物理科学协会(IAPSO)批准。并从1982年1月1日起在全世界正式使用的“PSS78国际实用盐标”和国际海水状态方程EOS-80及其海洋学常用表。

在推广应用了 30年后，EOS-80 和实用盐度的不足之处愈发明显，于是海洋学家着手构建2010 年国际海水热力学方程（International Thermodynam-ics Equation of Seawater-2010,TEOS-10）TEOS-10 是全新的6高精度的综合公式，它构建的基础依然是海水的密度6温度与压强等关键性因素，但是其核心思想发生了实质性变化。

测量方法：

1.电导法测量：

利用海水不同盐度下导电率不同，由标准盐度参照进行测量海水盐度。根据应用条件不同可分为实验室测量与实时测量装置。电导法实时测量具有小型化，精度高，数字化等优势，我国从六十年代初开始“现场”测量电导盐度计的研制工作, 至今已取得一定的成果。在过去所作的研究的基础上,用我国现在普通使用的一些电子仪器及有关设备,装配了一套精密测量海水盐度的电桥及恒温装置,并进行了对中国标准海水盐度的测定,与电位滴定法结果进行了比较,最后结果表明,这套装置在实验室内测定海水盐度精度达土0.002‰S,换算为氯度为士0.00‰Cl,研究结果还表明中国标准海水的电导比,盐度、氯度关系与大洋水是一致的。[3]

智能化的海洋监测仪器中电导法测量海水盐度是最可行方便的方式[4]。

图1 智能化监测仪器框图

海水盐度监测数字化是非常有必要的，采用用电导法原理,以两根平行安置的圆柱状不锈钢材料做探头，由于盐度不同,电导率不同,从而探头两端电阻不同电桥将电阻的变化转换为输出电压的变化,接着经放大和线性补偿后传输给A/D转换器,最后由A/D转换器驱动液晶显示器进行盐度数字显示[5]。

2.光学折射法[6]：

折射法检测盐度是根据光线在不同折射率液体当中会发生折射的基本原理来进行检测

图2 光学折射法

利用棱镜模型而不是平行平板模型，提高了光线的偏折角; 通过设置多个棱镜模块，进一步扩大偏折角，从而大大提高系统的分辨力，设计了光路并进行仿真分析，研制了样机并进行了海上实验#结果表明，盐度检测的分辨力达 0.0012‰，重复性不大于 ±0.1‰。

3.布里渊散射法[7]：

当一束光射入水中时,会发生弹性散射和非弹性散射,布里渊散射即是非弹性散射的一种,其特点是散射光有频移。利用海水在不同盐度下的不同频移特性来测量，结果表明，盐度检测 的 分 辨 力 达0.0012%，重 复 性 不 大 于0.016%。

图3 布里渊散射法

布里渊散射方法是一种很好的实时监测方法。与常规声速测量方法相比,布里渊散射方法具有以下优点:由于利用了光散射,实时性好;由于采用调频探测,抗干扰性好,信噪比高,测量精度高;由于是非接触探测,适用于恶劣环境及人员、设备不便直接到达的环境的监测。

4.等厚干涉法[8]：

尹会听、王洁等提出等厚干涉法测量盐度的一种方法，将一块曲率半径R较大的平凸透镜的凸面置于一光学平板玻璃上,在透镜凸面和平板玻璃间充满空气,其厚度从中心接触点到边缘逐渐增加。当平行光入射时,入射光将在薄膜上、下两表面反射,产生具有一定光程差的两束相干光,形成明暗交替的同心圆环即是牛顿环。根据不同盐度下的盐度折射率不同，得出经验公式来计算盐度。保持室内温度不变的条件下,利用读数显微镜测量空气牛顿环数据。在相同的条件下,测量盐度从O到20%,间隔为2%的盐溶液折射率。运用同样的方法,得到盐度间隔2%的不同溶液的折射率。并利用MAITLAB软件绘出折射率一盐度关系直线，拟合直线方程即是折射率一盐度经验公式。

图4 等厚干涉法折射-盐度关系

5.海表面盐度遥感技术[9][10][11]

用微波辐射计遥感海水盐度的原理是:海洋盐度变化会改变海水的介电常数,进而使海面辐射的微波亮度温度(简称亮温)发生变化,利用微波辐射计测量海水的亮度温度,通过反演就可以从测量的微波亮度温度中得到海水的盐度。20世纪70年代,海水盐度遥感的基本理论体系已经建立起来,并广泛开展了盐度遥感的航空实验。国际上有两个大的盐度遥感研究计划，即欧洲的SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity)计划和美国的Aquarius计划。

表1 历年遥感测量盐度实验与项目

6.基于核磁共振技术的海水盐度测量研究[12][13]

贾伟广提出利用核磁共振测定盐度的设想，为了进一步提高测量盐度的准确度提出新的测量原理和方法，利用核磁共振适合于液体的性质，对海水样品内所含元素进行精确的定量分析，通过建立数学模型并进一步分析处理后得到海水盐度的精确值。

某些有磁矩的原子核在静磁场中，由于磁矩和磁场相互作用形成一组分裂的能级，在适当频率的射频作用下，能级间发生跃迁而出现共振。而核磁共振特点有：

a 深入物质内部并且不会破坏它的物理和化学性质

b精密、准确地进行定、定量的分析

c高选择性，不同元素及其同位素的旋磁比不同

d 实验条件限制少，不需要微波谐振腔

e 分辨率较高，一般吸收谱线较窄

f 灵敏度，可通过多次采集数据及双共振技术提高

g 具有核磁矩的元素均可以进行实验目前有88种

h可以进行动态观测

7.各种离子的测定[13][14]

殷学博，王晓媛等对海水中Li、Rb、B与Sr的测定进行了研究，海洋分析学家采取分离富集方法, 有效去除基体元素, 实现痕量元素富集, 达到准确测试的目的, 海水中微量元素 Li、Rb、B、Sr 含量相对较高, 为 0.10 ~8 mg/L 量级, 并且海水中 Na、Cl、Mg、K、Ca 等基体元素形成的原子分子 NaAr+、MgAr+、ClO+、NaCl+等不会给这 4种元素的测试带来干扰。

仪器采用美国 PE 公司 ELAN DRC II 电感耦合等离子体质谱(ICP-MS): 采样锥(孔径 1.1 mm)和截取锥(孔径0.9 mm)均为铂锥, scott 交叉雾化室, 雾化气流速0.82 L/min, 辅助气流速 1.2 L/min, 等离子气流速15 L/min, 透镜压 6 V, ICP 射频功率 1 200 W, 脉冲压 1 250 V, 模拟压−2 350 V。

对大西洋海水中 Li、Rb、B 与 Sr 的测定，大西洋海水含量比较稳定, Li 的含量在 175～179 μg/L 之间, 标准偏差为 1.63 μg/L, 相对标准偏差为 0.92 %;硼的含量变化较大在 4.49～4.80 mg/L 之间, 标准偏差为 0.12 mg/L, 相对标准偏差为 2.65%; Rb 含量在119～125 μg/L 之间, 标准偏差为 2.28 μg/L, 相对标准偏差为1.85%; Sr含量在7.71～8.21 mg/L之间, 标准偏差为 0.17 mg/L, 相对标准偏差为 2.20%; 可以看出大西洋底部海水中 Li、Rb、B 与 Sr 元素含量稳定, 几乎没有变化, 其变化量也在 ICP-MS 测试数据范围内, 从数据结果可以看出大西洋底层海水成分均一, 无变化。此外还有通过浮力

[15]、化学滴定等方法测量盐度的方法。

参考文献

[1]李亚南,高占科,索利利 海水盐度计量进展:TEOS-10及绝对盐度

[2] IOC, SCOR，IAPSO. 2010, 56: 196.The international thermodynamic equation of seawater-2010: Calculation and use of thermodynamic properties [J]. Intergovern-mental Oceanographic Commission, Manuals and Guides.

[3]电导法测定中国标准海水的盐度和氯度.山东海洋学院化学系

[4]1992.庄培祥,郑宝兴.智能化的海洋检测仪器

[5]2003.林华清,陈华章.数字式海水盐度计的研制. 广东工业大学学报

[6]2011.陈世哲,刘世萱,范秀涛,赵 力,王晓燕,李 民. 基于棱镜模型多次折射法的海水盐度检测系统.光学学报

[7]2000.刘大禾,汪华英,周 静.布里渊散射法测量盐度及温度不同的海水中的声速.中国激光

[8]2008 .尹会听,王 洁,唐 君.等厚干涉法测量盐度.大学物理实验

[9]2007. 李青侠,张 靖,郭 伟,雷震东,张祖荫.微波辐射计遥感海洋盐度的研究进展. 海洋技术

[10]1995.Lagerloef G S E, Swift C T and Le Vine D M. Sea surface salinity: The next remote sensing challenge. Oceanography.

[11]2006.王 杰,矫玉田.海表面盐度遥感技术的发展与应用.海洋技术

[12]2011.贾伟广.基于核磁共振技术的海水盐度测量研究探讨.海洋技术

[13]2013.殷学博, 王晓媛.电感耦合等离子体质谱测定海水中的锂、铷、硼、锶.海洋科学

[14]2009.俞凌云,朱 娟,张新申.氯离子测定方法及其应用研究.西部皮革

[15]1998.包万友,侯宝荣.一种浮力式盐度计.海洋与湖沼