关于海洋电磁学介绍

[拼音]：haiyang diancixue

[外文]：marine electromagnetics

主要研究海洋的电磁特性，海洋中的电磁场和电磁波的运动形态和规律，及其在海洋科学、海洋电磁波通讯和海洋开发中的应用的学科。它是海洋物理的一个分支。

海洋中的各种盐类几乎完全解离，这使海水含有大量离子而成为导体。M.法拉第早在1832年就指出:在地磁场中流动的海水，就象在磁场中运动的金属导体一样，也会产生感应电动势。他在泰晤士河做过实验，得不到预期的结果；但他指出，在英吉利海峡必定能测出。直到1851年，C.渥拉斯顿在横过英吉利海峡的海底电缆上检测到和海水潮汐周期相同的电位变化时，才证实了法拉第的预言。从此，人们不断对海洋中的电磁现象进行研究。随着电磁波中的超长波用于对潜艇通讯和极长波用于对大洋深处核潜艇通讯的研究的进展，各国相继研究海水的电磁特性和电磁波在海洋中的传播规律。19世纪70年代以来，已经开始将电磁波中的极长波用于探测研究海底岩石圈的地质构造和探矿。海洋中的天然电磁场和海水在地磁场中运动时产生的感应电磁场，都会对水下通讯和地质探测造成干扰，这又促使人们对海洋中的天然磁场和感应电磁场进行更细致深入的研究。

包括磁导率μ、电导率 σ和介电常数ε。它们与海水的盐度、温度和电磁场的频率有关。通常采用真空的磁导率μ0=4π×10-7亨/米作为海水的磁导率μ。 海水总电导率σ 为离子电导率和偶极电导率之和。通常用经验公式计算海水的离子电导率，它表示为盐度和温度的函数。海水的偶极电导率与频率有关。当频率低于 109赫、温度为17°C时，标准海水的电导率为4.54～4.81西/米，是铜的10-7倍，玻璃的1012倍，而比一般湖水或河水大千倍以上。海水的介电常数与盐度、频率和温度的关系，还只有半经验公式。当频率小于109赫、温度为 17°C时，标准海水的相对介电常数εr约为81.5。

电磁波在海水中传播时激起的传导电流，致使电磁波的能量急剧衰减，频率愈高，衰减愈快。电磁波的振幅衰减为原来的 1/e时的传播距离，称为穿透深度D。由麦克斯韦方程组可得：

其中f为电磁波的频率，单位为赫。兆赫以上的电磁波在海水中的D小于25厘米，海水对这种电磁波就成为很强的屏蔽层;而频率低于10周/时的电磁波，在海水中的D可达5000米。这样，海洋就成为完全可穿透的了。这种极低频的电磁波，可用于陆地对大洋深处核潜艇通讯和海底地壳物理探矿，是海洋电磁学研究的一项主要内容。

包括天然电磁场和感应电磁场两大类。

海洋中主要的天然电磁场是地磁场，而占据地磁场99％以上的主磁场，几乎全部起因于地核。地磁场的变化可达100伽玛/年。地球大气电离层中发生的各种动力学过程，包括来自太阳的等离子流和地球磁圈及电离层的相互作用，不断产生频率范围很宽的电磁波.其中的周期为数分钟以上的，能够穿过海水而达到海底，再穿过海底沉积层，达到上地幔岩石圈甚至更深处。海水和海底接触处的电化学过程，岩石中的渗透过程，及海水在岩石中的扩散作用等物理作用和化学作用，在海洋中也能产生电场，其强度可达100微伏/米。在浮游植物和细菌的聚集区，也发现有生物电场。海水的各种较大尺度的运动，如表面长波、内波、潮汐和海流等，在电磁场中都能感应出相应的电磁场。例如由潮汐引起的磁场半昼夜变化，幅度可达2.4伽玛，电场变化幅度可达0.6微伏/米。周期为3～9秒的表面波，当波高为 0.5～1米时，磁场变化的幅度可达 1伽玛。研究海水各种尺度运动所产生的感应电磁场，探求测量它们的方法，进而通过电磁测量来了解海水的各种运动，也是海洋电磁学研究的一个重要方面。

陆地、舰艇和飞机与水下潜艇进行无线电通讯时，所用的电磁波中的超长波，波长在万米以上（频率低于30千赫），电磁波沿地球表面和高度为70～80公里的电离层所构成的两个同心反射层之间传播，然后垂直透入海水。潜艇可在水面以下30米深处收到这种电磁波。要从陆地上和藏在大洋深处的核潜艇通讯，比较可靠的手段是极低频电磁波（波长在百万米以上）。实验说明：潜航于 120米深的核潜艇用 300米长的拖曳接收天线，能顺利地收到4600公里远的极长波指令。使用超长波和极长波对潜艇通讯，其优点是不受磁爆、核爆炸和太阳黑子的影响。

裂隙中充满海水的岩石和硫化矿物，都能使岩石的电导率增加2个量级以上，这可以用电磁波探测到。这是一种有效的探测手段。海底岩石圈的电导率与它的物理化学性质、温度和含水量等，均有关系。根据海底附近的电磁测量，推断海底以下的上地幔岩石圈的电磁性质，可用来研究海底岩石圈的结构、热力学过程和海底岩基的运动及海底矿床的形成。美国斯克里普斯海洋研究所把发射源放在海底，用可在海底自由散布的接收器来测量电场。在19公里范围内测出0.25～2.25赫的极低频信号，提供了海底30公里深处的上地幔导电结构模型。对深部岩石圈性质的探测，尚无其他有效的手段，故海洋电磁学在这方面的研究就显得更加重要了。