二、鹽度

二、鹽度

鹽度(Salinity，一般均用S代表)﹕1902年設定鹽度之定義為「將海水中一切碳化物(碳酸鹽)、溴及碘化物等均代換為氯化物，同時將所有有機物完全氧化，則一公斤海水中所含有固體物質之總克數」。所以鹽度是重量百分比濃度，其單位為千分之一(⁰/₀₀)。換言之，鹽度係指一公斤海水中含有之溶解物質的總克數。由於海水中溶解物質成份組成甚為複雜(如下圖)，無法直接化學分析，故需採用上述的代換方式。

海水的組成。摘自Thurman, H. V. (1993) "Essentials of Oceanography", 4th ed.。

鹽度測定法﹕乾燥法（最不準）、化學滴定法、以及間接法。

(一)乾燥法：根據1902年鹽度定義所設的方法，但因多數鹽類會吸水，部份又會隨水氣化，故將海水乾燥後仍測不準，實際上並無法應用。
(二)化學滴定法：根據實測統計平均，一般海水所含的溶質中，氯離子占55.0% 、硫酸離子7.7% 、鈉離子30.6%、鎂離子 3.7%、鉀離子1.1% 。全球海洋不同地區或不同深度的海水其鹽度或許不同，但海水中主要成份間的比例卻仍保持不變，說明在很久以前海洋中的海水便已混合得很均勻，是以只要測定海水中某主成份的濃度後便可換算得出鹽度。由於海水中氯離子含量高，故可用硝酸銀滴定法先求出氯度─即「每公斤海水中氯離子(包括碘與溴)之克數」，然後再利用經驗公式反求鹽度，即﹕鹽度=0.03+1.80655x 氯度 (簡寫為Cl ⁰/₀₀)。 化學滴定鹽度測定法採用Mohr滴定法，以硝酸銀為試液，鉻酸鉀為指示劑，反應式為：

$Na Cl + Ag NO_3 & \rightarrow & Na NO_3 + Ag Cl$
$2 Ag NO_3 + K_2 Cr O_4 & \rightarrow & Ag_2 Cr O_4 + 2 KNO_3$
而氯度之定義亦可轉為：「將0.3285234公斤海水樣本中所有鹵素完全滴定所需銀的克數」，這是1960年代海洋學通用的鹽度標準測法，其精確度可達±0.02 ⁰/₀₀。

(三)間接法：有二類，一為測出特定溫度下之海水密度，再經由密度與溫、鹽之關係式倒求出S；另一則為由導電係數反求。隨著電子儀器發展日新月異，近代多用後法量測鹽度，為了使用後法之需要因此又重新定義了一個新的鹽度計算標準，稱為「實用鹽度單位」(Practical Salinity Unit，簡寫為psu，Lewis and Perkin 1978)，利用海水之導電度(電阻之倒數，是鹽度與溫度的函數)可計算出psu鹽度，其公式如下﹕

(1)首先計算導電度比(Conductivity Ratio) R，即
psu 1

式中C(S,T,P)為海水在鹽度為S、溫度為T、壓力為P狀態下之導電度，C(35,15,0)為鹽度35⁰/₀₀、溫度15°C、壓力為海面一大氣壓狀態下之導電度，C(35,15,0)=4.2914 Siemens/m (此單位亦簡寫為S，但為避免混淆此處寫全名)，至於其它二項則類推。R稱為電導度比(Conductivity ratio)，至於R_p為電導度比之壓力修正，R_T電導度比之鹽度修正，以及r_T電導度比之溫度修正。在一般應用範圍內(以下式子中，R的單位為simens/m，T為°C，P為decibar)有如下之關係

得出 R_P與 r_T 後，然後再由最先之R關係式求出R_T，即

(2) 接著便可將R_T代入下式得出鹽度

Salinity

其中 $\sum a_i = 35.0000, \ \ \sum b_i = 0.0000$ 。這種量測法之適用條件為 $-2^\circ C \leq T \leq 35^\circ C$ 以及2< S < 42 ⁰/₀₀。近代利用精密電路以及感應器量出海水的導電度、溫度以及壓力，代入上式求出鹽度的這種方法其精確度可達 $\pm 0.003 ^0/_{00}$ 以上。

海水鹽度分佈

大洋中鹽度介於33-37 ⁰/₀₀，降雨多或有河流注入之海面甚至可小於5 ⁰/₀₀，中緯度蒸發過大之孤立海面則可高達39 ⁰/₀₀(如地中海、紅海 41 ⁰/₀₀)，表面海水的平均鹽度，北大西洋最高(35.5⁰/₀₀)，南大西洋及南太平洋較小(35.2⁰/₀₀)，北太平洋最小(34.2⁰/₀₀)。

海洋表層之鹽度分佈狀況。摘自D.E. Ingmanson and W.J. Wallace (1995) "Oceanography, An Introduction", 5th ed.。

海洋學中，水溫之標準單位為攝氏度(°C)，大洋中水溫介於-2 - 30°C 之間，其變化視結冰、輻射與大氣間熱交換而定。為陸地包圍之海域，水溫變化輻度較大。大洋中水溫甚少超過30 °C。海洋中現場水溫多以特殊溫度計(顛倒式溫度計)或熱阻計測量。

海表面溫度分佈狀況(八月)。>

海表面溫度分佈狀況(二月)。
以上二圖均摘自D.E. Ingmanson and W.J. Wallace (1995) "Oceanography, An Introduction", 5th ed.。

海水壓力單位

海洋學中壓力(P)早期多用分巴(decibar)為單位(1 decibar = 0.1 bar = 10⁵ dyn/cm²)，但近年國際通用單位(SI, International System of Units)則改採用帕(Pascal, 1 Pa = 10 dyn/cm²)，例如氣象界早就改用百帕(hPa)代替毫巴(mb)。海水之壓力主要是由水柱之重量而來，由靜力平衡方程式知︰

$\frac{\partial P}{\partial z} = - g \rho \ \ \rightarrow \ \ P(z) - P(0) = - \int^{z}_{0} g \rho dz$

如令水面氣壓P(0) = 0，則 $P(z) = - \int^{z}_{0} g \rho dz$ 。以下為一些常用壓力單位之間的換算關係：

1 atm (大氣壓) = 1013.25 mb =760 mm mercury (水銀柱) = 1.01325x10⁶ dynes/cm² = 1013.25 hPa

海水之密度(見下節)比純水大，假設其垂直平均值為 $\bar{\rho} = 1.026 g/cm^3$ ，則 $P(z) = - \int^{z}_{0} g \rho dz$ 之值為

$P(z) = g \bar{\rho} z$
$\ \ = 980 (cm/sec^2) \times 1.026 (g/cm^3) \times z \ (m)$
$\ \ = 1005.48 z \ (g \cdot cm/sec^2 \cdot 10^2 cm /cm^3)$
$\ \ = 1.00548 \times 10^5 z \ (dynes/cm^2)$
$\ \ = 1.00548 z \ (db)$

所以由一公尺海水柱之重量所產生之水壓近似於一分巴，而一大氣壓則相當於承受十公尺水柱之重量，所以說海面下約每十公尺壓力增加一巴或是一大氣壓。

水壓的力量。左方照片上兩個保麗龍杯
原來是一模一樣的，但右側的杯子只不過
被放到海面下2642公尺深處然後再取回，
可見水壓的力量有多大，海洋儀器往往需
能承受更大的壓力。摘自 D.E. Ingmanson and
W.J. Wallace (1995) "Oceanography, An Introduction",
5th ed.。

1998 8/8 (minor revision: 2017 3/6)