（精簡版）文科大學(xué)生自然科學(xué)技術(shù)知識讀本

一、宇宙

（一）宇宙模型

1.有限無邊的靜態(tài)宇宙模型

1692年，牛頓根據(jù)他的萬有引力理論，提出了“無限均勻的宇宙模型”，第一次在自然

科學(xué)的基礎(chǔ)上描繪了宇宙圖景：空間平直無限，時間無始無終，天體無數(shù)且均勻分布。1917

年，愛因斯坦提出了一個“有限無邊靜態(tài)宇宙模型”。愛因斯坦通過計算，得出宇宙空間應(yīng)

彎曲成一個封閉的區(qū)域，它有一定的直徑，也有一定的體積，但是沒有邊界，因為球面有固

定的面枳，而它的面積是沒有邊緣的。這就是有限無邊的來源。所謂靜態(tài)，是說宇宙在小范

圍內(nèi)有運動，但從大范圍來看則是靜止的。根據(jù)這個圖景，在宇宙任何-點上發(fā)出一道光線，

將約在100億年后返回它的出發(fā)點。換句話說，如果我們有一架可以看到任意遠(yuǎn)處的望遠(yuǎn)鏡，

我們最終看到的是自己的后腦勺。

國3空同彎曲

2.動態(tài)的膨脹宇宙模型

按照愛因斯坦原先建立的關(guān)于宇宙時空的場方程，是不可能得到一個靜態(tài)的解的。也就

是說，我們宇宙的大小是變化的。1917年，荷蘭天文學(xué)家德西特在他的論文《愛因斯坦的

引力理淪及其天文學(xué)影響》中也提出了一個靜態(tài)的宇宙模型，認(rèn)為宇宙的空間并不隨時間變

化而變化，這與愛因斯坦的觀點是一致的，不同的是，他又認(rèn)為宇宙的物質(zhì)有運動，不過物

質(zhì)的平均密度趨近于零。德西特認(rèn)為，在這種宇宙內(nèi)存在著某種斥力，河外星系在此斥力作

用下普遍退行，產(chǎn)生星系光譜的紅移現(xiàn)象。哈勃認(rèn)為，德西特模型促使天文學(xué)家注意到紅移

與距離的關(guān)系。1922年，俄國科學(xué)家弗里德曼放棄了愛因斯坦人為插入的宇宙項，重新采

用原來的廣義相對論的引力方程，求得了均勻的、各項同性的宇宙的動態(tài)時空度規(guī)。這個解

反映了宇宙的膨脹特性。同時，弗里德曼認(rèn)為，宇宙物質(zhì)平均密度不為零。如果宇宙物質(zhì)的

平均密度小于某個臨界值，宇宙將在空間上永遠(yuǎn)而無限地膨脹下去；如果宇宙物質(zhì)的平均密

度大于某個臨界值，物質(zhì)產(chǎn)生的引力場使宇宙收縮、彎曲，甚至回到原來的地方，形成一個

無邊有限的動態(tài)宇宙——弗里德曼宇宙模型。弗里德曼等人還預(yù)言，宇宙的膨脹會表現(xiàn)為天

體間的一種離散運動，離散的速度與離散的距離成正比。后來，這一預(yù)言被哈勃等人的發(fā)現(xiàn)

證實了。

（二）大爆炸宇宙學(xué)說

1.大爆炸宇宙學(xué)說

最早對大爆炸宇宙學(xué)說做出貢獻(xiàn)的是英國天文學(xué)家愛丁頓,他把哈勃的發(fā)現(xiàn)與宇宙膨脹

理論聯(lián)系起來，提出了大量的觀測數(shù)據(jù)。1932年，比利時天文學(xué)家勒梅特在愛丁頓工作的

基礎(chǔ)上，探討了宇宙起源問題，提出一個宇宙起源于“原始原子”的假說。他認(rèn)為在50億?

100億年以前，一切物質(zhì)起初大概都來自一個極端致密的“原始原子”，或稱“宇宙蛋”，由

于劇烈的放射性衰變的原因，這個“宇宙蛋”發(fā)生了猛烈的爆炸，于是就誕生了我們現(xiàn)在所

看到的這個宇宙。

1948年，美籍奧地利物理學(xué)家伽莫夫把基本粒子同宇宙學(xué)聯(lián)系起來，提出熱宇宙大爆

炸學(xué)說。他把勒梅特的“原始原子”改為“原始火球”，認(rèn)為宇宙起始于高溫高密狀態(tài)的“原

始火球”，物質(zhì)以基本粒子形態(tài)出現(xiàn)，在基本粒子的相互作用下，“原始火球”發(fā)生爆炸，并

向四面八方膨脹。

大爆炸宇宙模型的主要觀點是：我們的宇宙曾有一段從熱到冷，物質(zhì)密度從密到稀的演

化歷史。這一從熱到冷、從密到稀的演化過程如同一次規(guī)模巨大的爆發(fā)。

2.宇宙形成學(xué)說的困難利發(fā)展

從大爆炸宇宙模型提出以來，已經(jīng)有了一套比較完整的理論體系。與其他宇宙模型相比，

它能夠較好地解釋諸如宇宙的年齡、星系紅移、氮豐度、微波背景輻射等觀測事實，甚至一

些定量的描述也與觀測數(shù)據(jù)符合得較好。因此大爆炸學(xué)說成為現(xiàn)代宇宙學(xué)中最有影響的種

學(xué)說，在宇宙學(xué)乃至整個科學(xué)界產(chǎn)生了“爆炸性”的影響，并將現(xiàn)代宇宙學(xué)向前推進(jìn)了一大

步O

?折氏瓢衣別?宇語在?大B炸-后不到萬億分之杪的葉阿里,wwr

一個吃灌廓寐的過程,從儀山艮*她的尺寸X底成人文數(shù)字的娛校

國小時期哨通不加遑睡霰-

mJBI峭時代行其等發(fā)發(fā)時

量子也落-大爆炸約4億，對R代恒軍至，:

施爾金

嚴(yán)〃偏笈方向圖波各向片ft

J大諄炸放射ifc光戢動的力?向I372年

圖』宇宙大爆炸示意圖

二、地球

(一)行星地球

1.地球的形狀

地球是一個不規(guī)則的扁球體。進(jìn)一步的研究又發(fā)現(xiàn)，地球的南北兩半球不對稱，南極較

北極離地心要近一些，在北極凸出18.9米，在南極凹進(jìn)25.8米;又在北緯45地區(qū)凹陷,

在南緯45°隆起。這一形狀和參考橢球體對比，地球又有點像梨子的樣子，于是測量學(xué)中

又出現(xiàn)“梨形地球”這一名稱。

總之，地球的形狀很不規(guī)則，不能用簡單的幾何形狀來表示。更確切地說，地球具有獨

特的地球形體。

2.地球的運動

(1)地球的公轉(zhuǎn)。按離太陽由近及遠(yuǎn)的順序，地球是第三顆行星，它與太陽的平均距離

是1496億千米，這個距離叫做一個天文單位(AU)。

地球公轉(zhuǎn)一周需要365.25個平均太陽日，平均公轉(zhuǎn)速度是29.79千米/秒。

(2)地球的自傳。地球不僅繞著太陽公轉(zhuǎn)，而且還繞著自己的地軸轉(zhuǎn)動——臼轉(zhuǎn)。

地軸是通過地心和地球的南極與北極的假想軸，它與地球的赤道面相垂直。

地球自西向東自轉(zhuǎn)。因此，人們在地球上看到太陽東升西落。地球自轉(zhuǎn)一周需要23小

時56分4.09秒平均太陽時，自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軌道面之間的夾角為2.45°。由于地球轉(zhuǎn)動的

相對穩(wěn)定性，人類生活歷來都利用它作為計時的標(biāo)準(zhǔn)。簡單地說，地球繞太陽公轉(zhuǎn)一周的時

間叫做一年，地球自轉(zhuǎn)周的時間叫做一日。

(二)地球的物理特征

1.地球的質(zhì)量和密度

英國物理學(xué)家卡文迪許通過萬有引力定律，首先求出地球質(zhì)量的，這種方法一直沿用到

今天。經(jīng)計算，地球的總質(zhì)量約為60萬億億噸。

依據(jù)地球的質(zhì)量和體積，又可計算出它的密度為人52克/厘米3。

地震學(xué)家布倫于1970年提出地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)模式和推算出各層密度，地球內(nèi)部的密度隨

深度的增加而遞增。

2.地球的重力和壓力

地球重力是指作用于1克質(zhì)量的地球引力與地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的合力，用字母g

表示。重力以自由落體的加速度或重力加速度來度量。地球內(nèi)部的重力值g隨深度而增加，

至地核界面開始直線下降，直達(dá)地心為零。17世紀(jì)，意大利物理學(xué)家伽利略第一個研究和

測定丁重力加速度。

地球重力作用的空間稱為地球的重力場。作用在地球表面上的重力是地球質(zhì)量產(chǎn)生的引

力和地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性離心力共同作用的結(jié)果。地球自轉(zhuǎn)所引起的離心力對重力的影響在

赤道上最強(qiáng)，并隨緯度的不同而呈有規(guī)律的變化，即地球表面重力隨緯度增加而增加，隨高

度增加而減少。

同時，由于地球不同部位的密度分布不均一，也引起重力的變化和異常。因此，重力異

?？梢蕴峁┑厍虿煌糠置芏茸兓男畔?。利用在地表附近（包括空中、地下和海面）測得的

重力加速度隨地點不同的變化來尋找礦體和地質(zhì)構(gòu)造等，并確定它們的形態(tài)、大小、空間位

置及其分布情況，這就是地質(zhì)勘探中常用的重力勘探法。

地球內(nèi)部的壓力決定于地層的厚度、平均密度和平均重力3個因素。這樣，從地表到地

心的壓力，一直隨深度的增加而增加。這一點與重力的分布不完全一樣，但壓力增加的速度

也因深度而有所不同。總的規(guī)律是：接近地表和接近地心的層次，壓力增加比較緩慢，而在

中間的層次，壓力增加得很快。

3.地球的磁性

對磁針或運動電荷有作用力的空間稱為磁場。地球具有一個強(qiáng)有力的、猶如一個位于地

心的磁棒（磁偶極子）所產(chǎn)生的磁場，這個從地心至磁層邊界的空間范圍內(nèi)的磁場稱為地磁

場。

人類對于地磁場存在的早期認(rèn)識，來源于天然磁石和磁針的指極性。磁針的指極性是由

于地球的北磁極（磁性為S極）吸引著磁針的N極,地球的南磁極（磁性為N極）吸引著磁針的

S極。這個解釋最初是英國的吉爾伯特于1600年提出的。

地磁場是一個向量場，描述空間某一點地磁場的強(qiáng)度和方向，需要三個獨立的地磁要素，

即磁傾角、磁偏角和磁場強(qiáng)度，它們又被稱作地磁三要素。

磁暴是全球同時發(fā)生的強(qiáng)烈磁擾，發(fā)生磁暴時，地球上會發(fā)生許多奇異的現(xiàn)象，如在漆

黑的北極上空會出現(xiàn)美麗的極光，指南針會搖撰不定，無線電短波廣播突然中斷，依靠地磁

場“導(dǎo)航”的鴿子也會迷失方向，四處亂飛。

地球上某些地區(qū)的巖石和礦物具有磁性，地磁場在這些埋藏礦物的區(qū)域會發(fā)生劇變，利

用這種地磁異?？商綔y礦臧，尋找鐵、鍥、銘、金以及石油等地下資源。

在發(fā)生強(qiáng)烈地震之前，地磁的三要素也都會發(fā)生改變，造成地磁局部異常的“震磁效應(yīng)”。

這是由于地殼中的巖石有許多是具有磁性的，當(dāng)這些巖石受力變形時，它們的磁性也要跟著

變化，從而可以較正確地作出“震前預(yù)報”。

4.地球的熱量

地球內(nèi)部儲存著巨大的熱能，這就是常說的地?zé)?。地球表層的熱量主要來自太陽輻射熱?/p>

地球內(nèi)部熱能主要來源于放射性元素的衰變,也有一部分熱能可能是由構(gòu)造運動的機(jī)械

能、化學(xué)能、重力能和地球旋轉(zhuǎn)能等轉(zhuǎn)化而來。

三、地球的構(gòu)造

地球作為一個整體，呈現(xiàn)出同心圈層的構(gòu)造，不論是地球表面還是地球內(nèi)部都是如此。

人們經(jīng)常以“比登天還難”來形容某件事的困難程度，但是，今天的現(xiàn)實是“登天難，

入地更難”。當(dāng)今的宇宙探測器可以遨游太陽系外層空間，但對人類腳下的地球內(nèi)部卻鞭長

莫及。目前世界上最深的鉆孔也不過12千米，連地殼都沒有穿透?？茖W(xué)家只能通過研究地

震波、地磁波和火山爆發(fā)等間接方式來揭示地球內(nèi)部的秘密。

1.外部圈層

(1)大氣圈。大氣圈是地球外圍的大氣層，上限距地面3000千米，下限達(dá)地面以下

60T00千米，質(zhì)量為5.2X10"千克。人們常稱大氣圈是地球的外衣，作為地球環(huán)境要素之

一的大氣，是各種生命不可缺少的東西。

大氣圈在結(jié)構(gòu)上，自下而上依次可分為對流層、平流層、中間層、熱層和外層。

(2)水圈。水圈是地球表面和接近地球表面的各種形態(tài)的水的總稱。它包括海洋、河流、

湖泊、沼澤、冰川以及土壤和巖石孔隙中的地下水、巖漿水、聚合水，生物圈中的體液、細(xì)

胞內(nèi)液、生物聚合水化物等。

(3)生物圈。生物圈是地球上凡是出現(xiàn)并感受到生命活動影響的地區(qū)，是地球特有的圈

層，它也是人類誕生和生存的空間。

生物圈的概念是由奧地利地質(zhì)學(xué)家休斯在1375年首次提出的，是指地球上有生命活動

的領(lǐng)域及其居住環(huán)境的整體。它在地面以上達(dá)到大致23千米的高度，在地面以下延伸至12

千米的深處，其中包括平流層的下層、整個對流層以及沉積巖圈和水圈。但是，大部分生物

都集中在地表以上100米到水下100米的大氣圈、水圈、巖石圈、土壤圈等圈層的交界處，

這里是生物圈的核心。

生物圈主要由生命物質(zhì)、生物生成性物質(zhì)和生物惰性物質(zhì)三部分組成。生命物質(zhì)又稱活

質(zhì)，是生物有機(jī)體的總和；生物生成性物質(zhì)是由生命物質(zhì)所組成的有機(jī)礦物質(zhì)相互作用的生

成物，如煤、石油、泥炭和土壤腐殖質(zhì)等；生物惰性物質(zhì)是指大氣低層的氣體、沉積巖、黏

土、礦物和水。

由此可見，生物圈是一個復(fù)雜的、全球性的開放系統(tǒng)，是一個生命物質(zhì)與非生命物質(zhì)的

自我調(diào)節(jié)系統(tǒng)。它的形成是生物界與水圈、大氣圈及巖石圈(土圈)長期相互作用的結(jié)果。

2.內(nèi)部圈層

(1)地殼。地殼是地球固體圈層的最外層，巖石圈的重要組成部分，其底界為莫霍洛維

奇不連續(xù)面(莫霍面)。假如把地球比作雞蛋的話，那么，地殼就相當(dāng)于雞蛋的蛋殼，其質(zhì)量

只占全球的0.2%。

地殼分陸殼和洋殼，

地殼中已發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素有92種，即元素周期表中1?92號元素。地殼中不同元素的

含量差別很大，含量最高的元素氧(47%)與含量最低的氨(10”')相差1017倍。

(2)地慢。地殼往下的那一層叫做地幔，又稱“中間層”，介于地殼和地核之間，是固

體層，厚度為2900千米左右。

地幔可分為上下兩層。

(3)地核。地幔再往里就是地核，它的半徑約為3500千米。地核可分為外地核和內(nèi)地

核兩層。處在地表以下2900~4980千米的部分叫外地核，是液體狀態(tài)。

4980?5120千米深處，是一個過渡帶，從5120千米直到地心則為內(nèi)地核，是固體狀

態(tài)。

地核的成分主要是鐵，另外還有一些銀和碳元素。內(nèi)地核的半徑約為1300千米，因為

地核離開地面太深，很少有“信息”傳來，所以我們至今對它了解得很少。

二、地殼運動

(一)海陸的起源

1.地球上的海陸分布

在地球總表面積中，大陸面積約占29%：海洋面積約占71%。大陸上最高的山峰是珠

穆朗瑪峰，海拔達(dá)8844.43米，最低點為死海，達(dá)-397米，海底最深處的馬里亞納海溝，

深度達(dá)到11022米。

在“大陸漂移說”提出之前，以“地槽地臺說”為代表的“海陸固定論”在大地構(gòu)造學(xué)

中一直占主導(dǎo)地位。這種理論主張，地殼上的海洋和大陸自形成以來，位置和布局是固定不

變的，地殼的運動以垂直升降運動為主，如坳陷沉降、褶皺隆起等。但是，當(dāng)“大陸漂移說”

被提出來以后，人們的觀念發(fā)生了巨大的改變。

2.魏格納提出“大陸漂移說”

1912年，德國科學(xué)家阿爾弗雷德?魏格納提出了“大陸漂移說”，他認(rèn)為，距今約3.5

億年前，全世界的大陸是一個連接在一起的、統(tǒng)一-的超級大陸——“泛大陸”或聯(lián)合古陸，

世界的海洋是一個連續(xù)的整體——“泛大洋”。由于潮汐力和地球自轉(zhuǎn)離心力的作用，從距

今2億年前的中生代，大陸開始破裂成幾塊，它們就像漂浮在水面上的冰山一樣彼此逐漸分

離，經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代，這些大陸塊發(fā)生了巨大的水平運動，有的還伴有旋轉(zhuǎn)運動，這才

形成現(xiàn)今世界上各大洲、各大洋的位置，而且這種水平運動目前還在繼續(xù)。

魏格納還認(rèn)為，山脈也是大陸漂移的產(chǎn)物，大陸漂移過程中遇到洋底的阻礙，前端產(chǎn)生

擠壓和褶皺，以致形成了山脈，例如歐亞大陸塊向赤道漂移、沖撞，產(chǎn)生了巨大的褶皺帶，

以致形成像喜馬拉雅山、阿爾卑斯山和阿特拉斯山等。

930年，魏格納為了進(jìn)一步論證大陸的漂移，在他50歲時，又一次去了位于北極圈內(nèi)

的格陵蘭島，可是，冰蓋上的嚴(yán)寒無情地奪去了這位科學(xué)家的生命。

20世紀(jì)50年代末期，古地磁研究為“大陸漂移說”提出了第一個直接和獨立的證明。

此后，利用計算機(jī)對大陸架輪廓的拼接也與魏格納的說法出奇地相符，很多自然科學(xué)的分支

學(xué)科取得的研究結(jié)果和數(shù)據(jù)，特別是在定量地測定大陸漂移速度和漂移路線后取得的成果進(jìn)

一步論證了大陸漂移的客觀性?！按箨懫普f”以其驚人的生命力“復(fù)活”了。

二海底擴(kuò)張

1、海底三大發(fā)現(xiàn)

20世紀(jì)以來，由于使用地球物理的方法對海底進(jìn)行勘探與研究，取得了一系列重要的

發(fā)現(xiàn)，包括中央海嶺、海溝和島弧等。但是，對于海底地殼運動規(guī)律的研究來講，最重要的

發(fā)現(xiàn)有3個方面：

(1)全球裂谷系及海底大斷裂。裂谷是由于地殼斷裂作用所產(chǎn)生的地殼下陷區(qū)。

裂谷一詞首先是英國人格雷格里于1894年用來描述東非肯尼亞陸殼下沉的構(gòu)造火山崩

陷的術(shù)語，后來，人們常從大地構(gòu)造含義上來使用裂谷一詞，主要指有火山活動和地震活動

的全球裂谷系。

大洋中杼上的裂谷又稱中央裂谷，是沿洋中行軸部延伸的巨大的斷裂谷。其特點是，沿

著大洋中存有淺源地震帶和高熱流值帶的分布。例如大西洋洋中有上的洋中谷，就像一條中

線一樣，把洋中脊從頂峰沿軸線劃為兩半，而且各大洋的洋中脊無一例外地都有這樣的斷裂

谷，所以地質(zhì)學(xué)家們稱之為“全球性大斷裂谷”。

有一定生成聯(lián)系的裂谷組合稱為裂谷系，根據(jù)其在地球上的分布特點可以分為3類大

洋裂谷系、大陸裂谷系和陸間裂谷系。世界上一些主要裂谷系常常相互聯(lián)系而構(gòu)成全球裂谷

系。不同類型的裂谷系代表不同的裂谷發(fā)育階段，地殼分裂最初階段發(fā)育大陸裂谷系，以后

出現(xiàn)陸間裂谷系，最終形成大洋裂谷系。

另外，洋中脊雖然長達(dá)65000余千米，但是它和它頂端的大斷裂谷都不是延續(xù)不斷的，

它們多處被截斷。這些洋中脊的截段彼此錯開，并不在一條直線上，很少有截段能連續(xù)不斷

地延伸達(dá)數(shù)百千米。

(2)海底地磁異常與磁條帶。各個地質(zhì)時代的巖石中，常常有一定的磁性，指示巖石生

成時期的地磁極方向，這叫做古地磁或自然剩磁。在巖漿巖中帶磁性礦物所表示的磁性，稱

為熱剩磁；在沉積巖中帶磁性物質(zhì)所表示的磁性，稱為沉積剩磁或化石剩磁。

巖石的磁性標(biāo)志了巖石形成時的地磁場方向。一個地區(qū)的古地磁，在經(jīng)過一段歷史時期

之后，常常倒轉(zhuǎn)180°,即指示相反的方向，這種現(xiàn)象稱之為地磁倒轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)向)。根據(jù)在大西

洋、太平洋及印度洋地區(qū)的洋底巖石古地磁測算，在大約8000萬年以來的時期，地磁極倒

轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)向)已達(dá)170多次，可以用以對比地質(zhì)年代。

1962年，各國科學(xué)家乘英國的“歐文”號在印度洋的卡爾斯堡脊上進(jìn)行磁測，事后將

測量結(jié)果交給劍橋大學(xué)的馬修斯的研究生瓦因進(jìn)行分析。瓦因推論，沿中脊噴發(fā)的巖漿冷卻

后被打上了地磁的印記，巖漿涌出而形成新地殼的過程重復(fù)發(fā)生，從而形成磁條帶。

這就是著名的“瓦因一馬修斯假說”。

(3)海底熱流異常。1671年，波義耳最早指出地下溫度隨深度而增高。17?18世紀(jì)，礦

工們提供了不少感性材料。19世紀(jì)，通過對火山的研究，建立起地?zé)崃鞯母拍睢?/p>

全球裂谷系、海底磁條帶、海地?zé)崃鳟惓１环Q為20世紀(jì)海底三大發(fā)現(xiàn)。

三、海洋資源

1.海洋——生命的搖籃

從太空看地球是藍(lán)色的，這是因為我們生活的地球上海洋占2/3的面積。海洋是地球

上最大的水環(huán)境，她不僅孕育了生命，孕育了地球文明，還是地球上的氣候調(diào)節(jié)器，為包括

人類在內(nèi)的各種生物的生存提供了多種條件。

大海給予人類生命，人類更應(yīng)該了解大海、利用大海，更好地愛護(hù)大海、回報大海。目

前人類對海洋的了解、利用與開發(fā)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，甚至對海洋的資源儲備情況還未掌握。

2.海洋——資源的寶庫

世界海洋中有2.5億平方千米公海和國際海底區(qū)域，其中有著豐富的共有海洋資源。

隨著陸地戰(zhàn)略資源的日益短缺，沿海各國不斷加大向海洋索取資源的力度，重視對海洋“藍(lán)

色國土”的開發(fā)利用和保護(hù)。人類社會的可持續(xù)發(fā)展必然越來越多地依賴海洋，開發(fā)利用海

洋資源對于人類的長遠(yuǎn)發(fā)展具有十分重大的戰(zhàn)略意義。

(1)海洋資源種類繁多。海洋是藍(lán)色的資源聚寶盆。

(2)海洋資源潛力巨大。

(3)海洋資源開發(fā)難度大。

3.我國的海洋資源態(tài)勢

我國跨越熱帶、亞熱帶和溫帶，東南瀕臨渤海、黃海、東海和南海，海岸線漫長，港灣

眾多，海域遼闊，廣袤的海洋蘊藏著極其豐富的海洋資源。我國海洋資源的基本特點是：

(1)海岸線漫長，海域遼闊。我國大陸位于西北太平洋沿岸，大陸海岸線長達(dá)18000

多千米，海洋漁場面積200多萬平方千米，大陸架面積130多萬平方千米，擁有豐富的資源。

我國還可以方便地進(jìn)人世界大洋，開發(fā)利用公海和國際海底區(qū)域的海洋資源

(2)開發(fā)海洋形成了多產(chǎn)業(yè)組成的海洋經(jīng)濟(jì)體系。

(3)海洋資源開發(fā)保護(hù)中尚存在較多的問題。

①海洋資源平均值低于世界平均水平。

②重要海洋資源優(yōu)勢不足。在世界海洋油氣資源豐富的沉積盆地中，中國近海不占優(yōu)勢。

世界上海洋油氣資源儲量主要集中在波斯灣、北海、幾內(nèi)亞灣、馬拉開波湖、墨西哥灣、加

利福尼亞西海岸等幾個地區(qū)，這些地區(qū)的油氣總儲量占世界海上探明儲量的80%。據(jù)預(yù)測，

中國近海的石油可采儲量僅占世界儲量的3%-72%。

③開發(fā)不足和過度開發(fā)并存。與發(fā)達(dá)國家相比，我國的海洋資源開發(fā)利用程度不高，海

洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展總體水平較低，既因開發(fā)不足而有巨大潛力，又有過度利用和資源衰退問題。

④與海洋資源相關(guān)的海洋環(huán)境問題日益嚴(yán)重。

⑤海洋權(quán)益和海洋資源爭端尖銳復(fù)雜。海洋權(quán)益是國家利益的重要組成部分，海洋權(quán)益

爭端的實質(zhì)就是海洋資源爭奪，是經(jīng)濟(jì)利益的爭奪。目前，我國面臨的海洋資源和海洋權(quán)益

爭端尖銳復(fù)雜。東海是中、日、韓三國漁民共同作業(yè)的漁場，漁業(yè)矛盾很多。除此之外，東

海豐富的油氣資源也存在著爭議。

（三）海洋技術(shù)

海洋是生命的搖籃，在這浩瀚而幽深的神秘世界里，至今還生活著眾多奇異的海洋生物,

海洋中蘊藏著遠(yuǎn)比陸地豐富得多的自然資源。

海洋是全球生命支持系統(tǒng)的一個重要組成部分，也是人類社會可持續(xù)發(fā)展的寶貴財富。

當(dāng)前，隨著陸地資源短缺、人口膨脹、環(huán)境惡化等問題的日益嚴(yán)峻，各沿海國家紛紛把目光

投向海洋，加快了對海洋的研究開發(fā)和利用，一場以開發(fā)海洋為標(biāo)志的“藍(lán)色革命”正在世

界范圍內(nèi)興起。

海洋技術(shù)也叫海洋工程，是以海洋資源勘查和開發(fā)為核心的新興技術(shù)，它主要包括各類

海洋現(xiàn)象的研究、海洋礦物的開采、海洋生物的捕撈和養(yǎng)殖、海水化學(xué)資源的提取、海洋空

間的利用等。

目前，現(xiàn)代海洋工程已經(jīng)使用了世界上最先進(jìn)的技術(shù)，包括衛(wèi)星導(dǎo)航和定位技術(shù)、遙感

技術(shù)、通信技術(shù)、電子技術(shù)、水聲技術(shù)、生物工程技術(shù)、造船技術(shù)、深潛技術(shù)、打撈技術(shù)等。

這些先進(jìn)技術(shù)的使用，使傳統(tǒng)海洋開發(fā)走上高技術(shù)發(fā)展軌道，同時出現(xiàn)了許多高新技術(shù)領(lǐng)域。

現(xiàn)代海洋技術(shù)是建立在現(xiàn)代海洋科技理論和其他技術(shù)領(lǐng)域最新成就基礎(chǔ)上的跨學(xué)科的綜合

性高技術(shù)體系，現(xiàn)代海洋開發(fā)正在由淺海向深海大洋推進(jìn)，無論其廣度還是深度都是空前的。

海洋資源的開發(fā)已經(jīng)對世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。據(jù)聯(lián)合國秘書長報告的資料，

目前世界國民經(jīng)濟(jì)總量約為23萬億美元，其中海洋經(jīng)濟(jì)約為1萬億美元，占4%以上。全

球陸地為人類提供的生態(tài)價值為12萬億美元，海洋提供的生態(tài)價值為21萬億美元。

X14海洋技術(shù)

（一）海洋礦產(chǎn)資源開發(fā)技術(shù)

海洋礦產(chǎn)資源是指海濱、淺海、深海、大洋盆地和洋中脊底部的各類礦產(chǎn)資源。

在海洋礦產(chǎn)資源中，以海底油氣資源、海底錦結(jié)核及海濱復(fù)合型沙礦經(jīng)濟(jì)意義最大。

1.海底石油、天然氣

海底石油、天然氣多“棲身”在海洋中的“大陸架”和“大陸坡”底下。

淺海的地層常常是沙層、頁巖、石灰?guī)r等構(gòu)成的，這些都叫做沉積巖。沉積巖本來應(yīng)當(dāng)

成層地平鋪在海底，但由于地殼變動，使它們彎曲、變斜或斷開。向上彎的叫背斜，向下彎

的叫向斜，有的像饅頭一樣隆起，叫穹隆背斜。有些含有油氣的沉積巖層，由于受到巨大的

壓力而發(fā)生變形，石油都跑到背斜里去了，形成富集區(qū)，所以背斜構(gòu)造往往是儲藏石油的“倉

庫”，在石油地質(zhì)學(xué)上叫“儲油構(gòu)造”。通常，由于天然氣密度最小，處在背斜構(gòu)造的頂部，

石油處在中間，下部則是水。

地球物理勘探是研究和尋找海上石油最基本的方法。目前世界上一些主要的油田構(gòu)造，

多是采用地震法找到的。利用人工地震產(chǎn)生彈性波，根據(jù)巖層對彈性波產(chǎn)生反射和折射的性

質(zhì)來了解海底沉積層的厚度和地質(zhì)結(jié)構(gòu)，便可以確定儲油構(gòu)造的分布情況。

這些調(diào)查方法只能證明海底有沒有儲油構(gòu)造，究竟這一構(gòu)造層里有沒有石油，還得靠鉆

探。鉆探時將油層構(gòu)造中的巖芯一段段地分析研究，油層變化規(guī)律和分布情況都搞清楚了，

就可以開采了。

2.大洋鎰結(jié)核

鎰結(jié)核又叫鋪礦瘤或鎰團(tuán)塊，是一種海底稀有金屬礦源。黃褐色的缽結(jié)核，外形像土豆，

切開來看，一層層的又像蔥頭。這種結(jié)核體往往是以貝殼、珊瑚、魚牙、魚骨為核心，把其

他物質(zhì)聚集在周圍。鎰結(jié)核是一種經(jīng)濟(jì)價值很高的礦產(chǎn)，開采海底鐳結(jié)核獲取這些金屬顯得

尤為必要。

調(diào)查表明，鎬結(jié)核廣泛分布于4000~5000米的深海底部，它們是未來可利用的最大

的金屬礦資源。令人感興趣的是，鎰結(jié)核是種可再生的多金屬礦物。它每年以約1000

萬噸的速率不斷地增長著，成為一種取之不盡、用之不竭的礦產(chǎn)。

我國從20世紀(jì)70年代中期開始進(jìn)行大洋鎰結(jié)核調(diào)查。1978年，“向陽紅05號”海洋

調(diào)查船在太平洋4000米水深海底首次撈獲鎰結(jié)核。經(jīng)多年調(diào)查勘探，在夏威夷西南、北緯

7°?13°、西經(jīng)138°?157°的太平洋中部海區(qū)，探明了一塊可采儲量為20億噸的富礦

區(qū)。1991年3月，聯(lián)合國海底管理局正式批準(zhǔn)中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會的申請，從

而使中國得到15萬平方千米的大洋錦結(jié)核礦產(chǎn)資源開發(fā)區(qū)。同時，依據(jù)1982年《聯(lián)合國海

洋法公約》，中國繼印度、法國、日本、俄羅斯之后，成為第五個注冊登記的大洋鎬結(jié)核采

礦“先驅(qū)投資者”。

3.海底熱液礦藏

20世紀(jì)60年代中期，美國海洋調(diào)查船在紅海首先發(fā)現(xiàn)了深海熱液礦藏。而后，一些國

家又陸續(xù)在大洋底部張裂的地帶發(fā)現(xiàn)了30多處由海底溢出物質(zhì)而形成的礦藏一一海底熱液

礦藏。

熱液礦藏又稱“重金屬泥”，由于裂谷不斷擴(kuò)張，地慢的熔巖流出來，加熱了沿裂縫下

滲的海水，大量的礦物質(zhì)利溶解鹽類，也趁機(jī)溶進(jìn)海水。在這些熱的海水里面，含有豐富的

鐵、鎰、鋅和鉛等多金屬礦物，這些礦物能像植物一樣，以每周幾厘米的速度飛快地增長。

當(dāng)海水在高壓下受熱與巖石發(fā)生反應(yīng)時，海水的化學(xué)組成就改變了。許多金屬離子自巖石中

溶蝕出來，使海水的成分大為改變，形成所謂的“熱液”。這些含有金屬離子的高溫溶液自

巖石的孔隙中流出，混入上面的海水中，溶液中主要的金屬離子鐵和缽很快地沉淀于海水中，

并沉積于孔隙附近，形成一種很特殊的泥狀“富含金屬的沉積物”。這些沉積物與陸地上富

含金屬的礦藏相似，在陸地上人們開采的許多重要礦床，也是幾百萬年以前在海底經(jīng)同樣的

化學(xué)過程形成的。

在當(dāng)今技術(shù)條件下，雖然海底熱液礦藏還不能立即進(jìn)行開采，但是，它卻是一種具有潛

在力的海底資源寶庫。一旦能夠進(jìn)行工業(yè)性開采，那么，它將同海底石油、深海缽結(jié)核和海

濱沙礦一起，成為21世紀(jì)海底四大礦種之一。

4.海濱沙礦

在沙質(zhì)海岸帶的岸邊和水下堆積著大量的海沙，它本身就是重要的建筑原料，同時在堆

積過程中，不同比重的沙粒又被分選富集起來，形成海濱沙礦。從海濱沙礦中還能篩選出黃

金、石英、金剛石，以及含有大量稀有元素的金紅石、錯石、金剛石等，它們是牛導(dǎo)體工業(yè)、

航天工業(yè)、核電工業(yè)等所必需的單晶硅、金屬鈦、核燃料針等的重要原料。

目前，世界上開采的幾十種海濱沙礦中，儲量最大的當(dāng)數(shù)石英礦了，從石英中提取的硅

是重要的半導(dǎo)體材料。

(二)海洋生物資源開發(fā)技術(shù)

海洋中有20多萬種生物，其中動物18萬種，植物2.5萬種。海洋動物中有1.6萬多

種魚類；有對蝦、龍蝦、磷蝦、海蟹這樣的甲殼類；有貽貝、扇貝、牡蠣等各種各樣的貝類;

還有海參、烏賊、海裝、海豹、海龜、鯨等。海洋植物中有人們熟悉的紫菜、海帶、裙帶菜

和鹿角萊等。海洋生物中有不少可以直接食用，有些還具有很高的藥用價值。海洋生物資源

目前的開發(fā)趨勢是：捕漁業(yè)向深海發(fā)展，增養(yǎng)殖向農(nóng)牧化發(fā)展，海洋藥物研究也得到重視。

1.海洋食物開發(fā)

(1)深海遠(yuǎn)洋捕撈。

(2)海洋增養(yǎng)殖。

2.海洋藥物開發(fā)

海洋中的生物為了生存繁衍，在自然競爭中取勝，便形成了各自獨特的結(jié)構(gòu)和奇妙的生

理功能，體內(nèi)生成各種各樣的化合物。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們研究發(fā)現(xiàn)，這些化合物在治療各種疾病方面具有不可替代的

作用。因此，許多科學(xué)家為尋找防治多發(fā)病、常見病、疑難病癥，特別是腫瘤、心腦血管疾

病的特效藥，已將注意力集中到開發(fā)海洋生物藥物。

由于海洋環(huán)境的光照、營養(yǎng)等特殊條件，很多海洋生物都能產(chǎn)生或帶有殺真菌、抗癌、

抗病毒、抗凝血、鎮(zhèn)痛、生長抑制等活性物質(zhì)。海洋生物是人類巨大的醫(yī)藥寶庫：鮑魚可平

血壓，治頭暈?zāi)垦０Y；海螫可治婦女性勞損、積血帶下；海馬和海龍補(bǔ)腎壯陽、鎮(zhèn)靜安神、

止咳平喘；用龜血和龜油可治哮喘、氣管炎；用海藻可治療喉嚨疼痛；珍珠粉可止血、消炎、

解毒、生肌，人們常用它滋陰養(yǎng)顏；用鰭魚肝制成的魚肝油，可治療維生素A、維生素D缺

乏癥；墨魚骨可止血等。另外，人們還從海洋生物中提取出了一些治療白血病、高血壓、腸

道潰瘍和某些癌癥以及迅速愈合骨折的有效藥物。

因此，從海洋生物中提取、分離海洋天然產(chǎn)物，研究具有特異生物活性的物質(zhì)，已日益

引起世界藥物學(xué)、細(xì)菌學(xué)、化學(xué)、海洋學(xué)、動物學(xué)、植物學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)家的極大興趣。

美國一位海洋問題專家形象地說：“海洋生物猶如一個可提供有關(guān)健康問題解決辦法的

咨詢中心?！笨茖W(xué)家們預(yù)言，海洋將成為21世紀(jì)的藥庫。

（三）海洋化學(xué)資源開發(fā)技術(shù)

海水既不是純凈水，也不是單純的食鹽水，而是一種溶解著許多物質(zhì)的復(fù)雜的礦物溶液。

海水中溶解的鹽類，平均濃度可達(dá)3.5%,也就是說，1立方千米的海水中，含有約3500

萬噸無機(jī)鹽類物質(zhì)。因此，可以說海洋水體是地球上最大的連續(xù)礦體。

1.海水制鹽業(yè)

大海最早奉獻(xiàn)給人類并且至今供給量仍然很大的物質(zhì)，莫過于“化學(xué)工業(yè)之母”的食鹽

了。食鹽是人類生活所必須的物質(zhì)，人和哺乳動物血清中含鹽量高達(dá)o.9%,這就是目前

醫(yī)學(xué)上將.O.9%濃度的食鹽溶液叫做生理鹽水的原因。如今，食鹽在化學(xué)工業(yè)中的用途越

來越廣泛。它是制造純堿、燒堿、鹽酸的基本原料，還可以用來制造化學(xué)肥料、塑料、合成

橡膠等.此外，它還被廣泛用于肥皂、染料、冶金、制陶等工業(yè)。

從海水中提取食鹽的方法主要有太陽能蒸發(fā)法、電滲析法和冷凍法，利用后兩種方法還

可同時進(jìn)行海水淡化。

2.海水提鈾

在陸地上鈾礦原生于巖漿巖中，但是有開采價值的主要在風(fēng)化殼裂隙及沉積巖中，總儲

量不超過100萬噸。海水中也溶解著為數(shù)可觀的鈾，不過濃度很低，每千克海水僅含3.3

微克鈾，但是，由于海水量巨大，鈾的總含量高達(dá)45億噸之多。

目前從海水中提取鈾的方法很多，但大體上可分為沉降法、溶劑萃取法和離子交換法3

種。我國海水提鈾研究始于20世紀(jì)70年代，主要集中在無機(jī)及有機(jī)吸附劑的篩選、研制及

吸附機(jī)制等方面。由于我國能源緊張，因此，開展海水提鈾新技術(shù)研究，顯然十分必要。

3.海水提鎂

節(jié)日的夜空，禮花怒放，紅的、綠的、黃的……那最耀眼的銀白色火花，就是鎂粉燃燒

放出的光芒。鎂是一種輕金屬，它的密度是鋁的2/3。鋁摻上鎂制成的合金，具有重量輕

而硬度大的特點，是制造飛機(jī)的良好材料，因此被譽為“國防金屬”。鎂是海水中含量較高

的元素，鎂在海水中的濃度為。.129%,僅次于氯和鈉，從800噸海水中就可以提取1噸

金屬鎂。雖然在陸地上可以通過開采鎂礦石提煉鎂，但是從海水中提取可以得到純度更高的

鎂，從而能滿足工業(yè)上的特殊需要。

大規(guī)模的海水提鎂是將石灰乳加人海水，沉淀出氫氧化鎂，注入鹽酸，再轉(zhuǎn)化成無水氯

化鎂，將熔融的氯化鎂放在電解槽中，通匕電就可以在電解槽的兩極分別生成鎂和氯氣。盡

管提取鎂的原理很簡單，但是要除去海水中的多種雜質(zhì)，又要經(jīng)濟(jì)合理，在生產(chǎn)工藝上還是

相當(dāng)復(fù)雜的。

4.海水提澳

溟在常溫下呈棕紅色液體狀，有劇毒，并具有強(qiáng)烈的刺激性臭味?，F(xiàn)在醫(yī)院里普遍使用

的鎮(zhèn)靜劑，有一類就是用浪的化合物制成的，如溪化鉀、溪化鈉、溪化錢等，可治療神經(jīng)衰

弱和歇斯底里癥。大家熟悉的紅藥水，也是澳與汞的化合物。此外，青霉素等抗生素生產(chǎn)時

也需要澳，澳還是制造農(nóng)'也殺蟲劑的原料

溟還可以用來制作防爆劑。把澳的一種有機(jī)化合物與鉛的一種有機(jī)化合物同時摻人汽油

中，可以有效地防止發(fā)動機(jī)爆燃。濱化銀是一種重要的感光材料，被用于制作膠卷和相紙等。

浸在地殼中的含量只有o.001%,而且沒有集中形成礦層，無法開采；而海洋中浪的

濃度雖然僅為。.0067%,但它的儲量卻占地球上溪的總儲量的99%,這也是溪被稱為“海

洋元素”的原因所在。

澳在海洋中大多是以可溶化合物的形式，如浪化鈉、嗅化鉀等形式存在的。從海水中提

取溟，首先要使溟從化合物中脫離出來，為此，可以往海水中通氯氣，讓氯取代溟化物中的

嗅，澳就成了游離狀態(tài)的物質(zhì)。但這時它仍然溶解在海水中，如何使它脫離海水呢?這時可

以用蒸儲法，讓它和水蒸氣一起跑出來，再經(jīng)過幾道工序，就能得到浪的液體。

目前，世界上有不少國家在進(jìn)行海水提澳工作，美國年產(chǎn)澳約13萬噸，日本年產(chǎn)澳約

1萬噸，我國一直是從鹽化工尾液中提取澳的，年產(chǎn)量僅為3000噸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了需求。

（四）海洋淡水資源開發(fā)技術(shù)

地球表面雖然覆蓋著n%的水，但總儲水量的97.2%是海水。海水淡化是開發(fā)新水源、

解決沿海地區(qū)淡水資源緊缺的重要途徑。

海水淡化，是指從海水中獲取淡水的技術(shù)。海洋中最重要的資源，首先是水本身，向海

洋要淡水已成必然趨勢。淡水資源奇缺的中東地區(qū)，數(shù)十年前就把海水淡化作為獲取淡水資

源的有效途徑。美國正在積極建造海水淡化廠，以滿足人們目前與將來對淡水的需求。全世

界共有近8000座海水淡化廠，每天生產(chǎn)的淡水超過60億立方米。

海水淡化技術(shù)目前有多種，但主要有蒸儲法、反滲透法和電滲析法。

1.蒸儲法

蒸儲法是把海水加熱，使之變成蒸汽，再將蒸汽冷卻，回收得到淡水。全世界海水淡化

產(chǎn)量的90%是用蒸儲法生產(chǎn)的。多級蒸發(fā)法是蒸播法中比較先進(jìn)的方法，使用這種方法時，

首先將海水加熱、加壓，在比較大的壓力下送入第蒸發(fā)室作第一次蒸發(fā)，然后，再用小于

一級蒸發(fā)的壓力送人第二蒸發(fā)室作第二次蒸發(fā)，這樣，一級一級地蒸發(fā)下去，就可以得到大

量淡水。但是，使用蒸儲法耗熱多、投資大、成本高，因此只適用于能源豐富、盛產(chǎn)石油的

中東地區(qū)。

2.反滲透法

反滲透法是在淡水器里放置一個很大的半滲透隔膜（一般用特殊樹脂制成）。這種隔膜只

能讓淡水通過，而溶解在海水里的鹽分和雜質(zhì)均通不過。這樣用壓力泵向淡化器里打進(jìn)海水

時，只要施加比滲透壓強(qiáng)大的壓力，淡水就可以通過隔膜。如此不斷循環(huán)地通過這種半滲透

膜，淡水就生產(chǎn)出來了。目前，國內(nèi)外對反滲透法的研究重點是尋找新型或優(yōu)異的高分子隔

膜材料。

我國在海水淡化與反滲透膜研制方面取得了很大進(jìn)展，現(xiàn)已建成反滲透海水淡化項目

13個，總產(chǎn)水能力日產(chǎn)近1萬立方米。目前，我國正在實施萬噸級反滲透海水淡化示范工

程和海水膜組器產(chǎn)業(yè)化項目。

3.電滲析法

電滲析法亦稱為離子交換膜電滲析法，是在兩個電極板之間，交替排列著陰離子交換膜

和陽離子交換膜，通電后，海水中的鹽類分解成陰離子和陽離子，并分別通過這兩種薄膜到

相反的兩邊去，剩下的便是沒有鹽分的淡水。

電滲析法的特點是從海水體系中除去鹽，能量轉(zhuǎn)換方式較合理，但由于所耗電能與鹽濃

度成比例，且不能除去不帶電荷的雜質(zhì)，因此，若要大規(guī)模地用于海水淡化，尚有待改進(jìn)和

提高。

4.海洋冰山

茫茫的大海給人類帶來了無限的遐想，在那苦澀的海洋里有沒有天然淡水資源呢?還真

有，浮在海上的大冰山就是淡水。海洋中有93%的冰山是從南極冰蓋上分裂出來的。每年

漂浮在海上的冰山，其儲水量相當(dāng)于世界上全部江河的流量。

如何把巨大的冰山從海中拖到干旱地區(qū)的海岸目前仍然是一個問題。國外有人計算過將

體積1.8億立方米的冰山，以1.94千米/時的速度運往沙特阿拉伯，需要牽引力為5.625

X10,焦/秒的駁船5?6艘。運輸期間為了防熱，應(yīng)將冰山用塑料材料保護(hù)好，使冰山在途

中的損失量不超過原體積的1/5。還有人設(shè)計用秘魯寒流作航線將冰山運往美國的加利福

尼亞海岸，這樣取得的淡水每噸價值為0.5美元。

（五）海洋能源資源開發(fā)技術(shù)

1.海洋潮汐能

潮汐是由于月亮和太陽的引力以及地球自轉(zhuǎn)的共同作用而產(chǎn)生的海水的規(guī)律性活動。海

洋潮汐能是潮汐運動時產(chǎn)生的能量，是人類利用最早的海洋動力資源。中國在唐朝時沿海地

區(qū)就出現(xiàn)了利用潮汐來推磨的小作坊。

潮水的浪尖與流底形成的差叫潮差，平均潮差高于5米即可建造潮汐發(fā)電站。

潮汐發(fā)電站有許多優(yōu)點。它不需要占用額外的土地，發(fā)電量穩(wěn)定，能準(zhǔn)確估算出功率大

小，而且使用壽命長達(dá)75?100年。潮汐發(fā)電原理與一般水力發(fā)電站大同小異。所不同的是，

由于潮水有漲有落，因而潮汐發(fā)電站不能像一般水電站那樣連續(xù)發(fā)電。20世紀(jì)60年代發(fā)明

的雙向貫流式水輪發(fā)電機(jī)，實現(xiàn)了漲潮和落潮時連續(xù)發(fā)電，比單向發(fā)電量提高了20%?

40%。潮汐發(fā)電站一般要求建在通道狹窄、水流湍急、潮差較大的海灣或海峽，所以可供選

擇的壩址有限，可開發(fā)的潮汐能也就受到了限制。

1966年，法國在朗斯河口上建成了世界上第+座潮汐發(fā)電站，共裝有24臺1萬千瓦的

雙向貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量24萬千瓦，年發(fā)電量5.44億千瓦時。我國在1959

年建成了第一座40千瓦的潮汐實驗電站，1980年建成了浙江溫嶺縣的江廈潮汐發(fā)電站，總

裝機(jī)容量達(dá)3000千瓦。

?些專家斷言，未來無污染的廉價能源是永恒的潮汐，而另一些專家則著眼于普遍存在

的浮泛在全球潮汐之上的波浪。

2.海洋波浪能

海洋波浪能主要是由風(fēng)的作用引起的海水沿水平方向周期性運動而產(chǎn)生的能量。波浪能

是巨大的，一個巨浪就可以把13噸重的巖石拋出20米高；一個波高S米、波長100米的海

浪，在1米長的波峰片上就具有3120千瓦的能量，由此可以想象整個海洋的波浪所具有的

能量該是多么驚人。據(jù)計算，全球海洋的波浪能達(dá)700億千瓦，可供開發(fā)利用的為20億?

30億千瓦。

目前，部分導(dǎo)航的浮標(biāo)、燈塔和遙測浮標(biāo)的工作電源可以通過海浪發(fā)電而自給自足。

日本研制成功的“海明”號海浪發(fā)電浮船是目前世界上最大的海浪發(fā)電裝置，裝機(jī)容量

達(dá)2000千瓦。還有許多國家正在研制大型海浪發(fā)電裝置，日、英、美等國正在積極研制功

率在5000千瓦以上的大型海浪發(fā)電裝置。

我國的海洋波浪能資源相當(dāng)豐富，僅海岸線的海洋波浪能蘊藏量就可達(dá)L5億千瓦，

現(xiàn)已研究成功了小型波浪能發(fā)電機(jī)，未來利用海浪發(fā)電的前景誘人。

3.海水溫差能

海水溫差能是一種熱能，因低緯度海面水溫高而深層水溫低而產(chǎn)生的顯著的溫度差，可

產(chǎn)生熱交換。溫差能利用是將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。?jù)統(tǒng)計，全球海水中僅熱

帶海洋水溫下降I~C,就能釋放出1200億千瓦的能量。

在熱帶，表層海水吸收太陽的輻射熱，溫度一般可達(dá)26?30'(2,而60—100米的深層

海水很少對流，仍保持溫度在4—6℃。海水溫差能發(fā)電，就是利用表層熱水和深層冷水的

溫差來發(fā)電。具體過程如下：先采用熱力循環(huán)法，其流程有閉路循環(huán)和開路循環(huán)兩種，把熱

能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再用發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

海水溫差發(fā)電能量大，發(fā)電穩(wěn)定，不受時間限制，但成本高，自身耗電多，凈剩電少，

發(fā)電效率受地區(qū)限制。我國南海的面積為360萬平方千米，表層海水年平均溫度在27℃以

上，宜于海水溫差能發(fā)電。

除了利用以上3種海洋能資源外，人們還利用洋流能和鹽度差能。洋流是指海洋中形成

的-股股流向、流速比較穩(wěn)定，終年奔騰不息的海中之河。利用洋流的沖擊力，可帶動水輪

發(fā)電機(jī)發(fā)電。

(六)海洋空間資源開發(fā)技術(shù)

隨著人口的膨脹、陸地資源與空間的枯竭，海洋空間的開發(fā)和利用問題越來越令人關(guān)注。

海洋空間是指從海面到海底的廣闊領(lǐng)域。海洋空間的開發(fā)利利用，是指為了發(fā)展生產(chǎn)和改善

生活的需要，把海上、海中、海底的空間用作交通、生產(chǎn)、貯藏、軍事、居住和娛樂場所的

活動。利用海洋空間的最大優(yōu)點就是不占用陸地，隱蔽性好，而且還可以減輕環(huán)境污染。隨

著人類逐步向海洋挺進(jìn)，海洋將成為人類活動的廣闊空間，“海上城市”、“海上機(jī)場”、“海

底村莊”等都是有可能實現(xiàn)的夢想。

1.灘涂資源

灘涂是海岸帶上大潮時在高潮線以下、低潮時在低潮線以上的地帶。

我們可以把灘涂視為土地資源，也可以將其看做空間資源或者綜合資源。灘涂有如下特

點：

首先，它具有很強(qiáng)的造陸功能其次，它周期性地被海水淹沒，因而具有自己獨特的自然

景觀和生態(tài)環(huán)境。有一些海洋生物就適宜在這樣的低鹽度的淤泥灘上生活，如蛭、蛆、蛤等

貝類，蘆葦、紅樹林等植物，它們組成了灘涂上獨特的生物群類。

2.海上設(shè)施

海上設(shè)施是指建在海面上的各種機(jī)場、油庫、工廠、城市等。

(1)海上機(jī)場。世界上最早的海上機(jī)場是日本于1975年建造的長崎海上機(jī)場，該機(jī)場

一部分地基利用自然島嶼，一部分填海造成。

海上機(jī)場有3種類型：第一種是填平淺海造人工島，在島上建的機(jī)場稱為填筑式機(jī)場。

例如1995年11月建成的澳門國際機(jī)場，該項工程共移山61立方千米，填海1.15平方千

米。中國的珠海機(jī)場也是填海興建的，上海浦東國際新機(jī)場也建在海邊灘涂上。

第二種是在海底打人鋼柱，在鋼柱上建造橋墩，在橋墩上建的海上機(jī)場，稱為棧橋式機(jī)

場，如美國的拉瓜迪亞機(jī)場。第三種是半潛式巨大鋼制浮體支撐的機(jī)場，稱為浮動式機(jī)場，

如日本的關(guān)西機(jī)場。

海上機(jī)場不僅能減輕地面的空運壓力，減少飛機(jī)噪聲和廢氣對城市的污染，而且可以使

飛行員視野開闊，保證了起飛和降落時的安全。

(2)海上油庫。海上油庫也叫海上油罐，主要有漂浮式和著底式兩種。漂浮式油庫最大

的是美國設(shè)在迪拜的圓柱式儲油庫，可儲油8萬立方米。著底式油庫最大的在挪威，儲油量

可達(dá)16萬立方米，頂部還設(shè)有起重機(jī)和直升飛機(jī)場。

(3)海上工廠。海上工廠是一些國家為了充分利用海洋資源而在海上設(shè)立的工廠和電

站，不少都建在大型平底船上。如美國新澤西州附近的海上核發(fā)電站。

(4)海上城市。海上城市是隨著海上各種設(shè)施的日漸增多而出現(xiàn)的。日本自第二次世界

大戰(zhàn)后50多年來，已向海洋奪取土地200平方千米，相當(dāng)于26個香港島的面積，日本建造

的神戶人工島就是一座海上城市。該島位于神戶市南3千米、水深13米的海面上，建于1966

—1981年，耗資5300億日元。這個小島面積為4363平方米，有大橋與神戶市相連。島

上居民為2萬人，各種設(shè)施齊全，有國際飯店、旅館、商店、博物館、游泳場、醫(yī)院、學(xué)校

及3個公園，還有休閑娛樂場和600套住宅，是個名副其實的海上城市。

3.海底設(shè)施

許多科學(xué)家預(yù)言，21世紀(jì)人類將“回歸”海洋，在大量圍海造地、建造人工島和海上

城市的同時，人們還將開拓海底世界。

海底設(shè)施是指海底隧道、海底管道、海底軍事基地和海底工廠、海底城市等。

(1)海底隧道。海底隧道用于溝通港灣和海峽兩岸的交通，可克服水面輪渡費時和易受

天氣影響的困難。海底隧道多數(shù)是陸地鐵路交通的組成部分。美國紐約的曼哈頓島和長島、

新澤西州之間，開挖了5條海底隧道，供汽車通行；荷蘭的鹿特丹先后修建了3條海底隧道；

香港的港島和九龍之間修建了一條長1400米的海底隧道，使港島與九龍之間的交通大大改

觀。世界上已建成的最長的海底隧道是日本的青函海底隧道，全長約54千米，鋪設(shè)兩條鐵

路線；1986年開始興建的日韓海底隧道，全長250千米，將成為世界上最長的海底隧道。

(2)海底管道。海底管道主要用于輸送石油、石油制品和天然氣，如英國北海布倫油田

到蘇格蘭的輸氣管道，全長451.8千米。

(3)海底軍事基地。主要是指建立海底潛艇基地，布置海底導(dǎo)彈，建立海底反潛警報系

統(tǒng)。由于海底是人造衛(wèi)星的盲區(qū)，所以海底軍事基地能擺脫軍事偵察衛(wèi)星的跟蹤。

(4)海底電纜。利用海底空間鋪設(shè)電纜已有100多年的歷史。在傳統(tǒng)海底電纜的生產(chǎn)、

鋪設(shè)和維修的技術(shù)基礎(chǔ)上，海底光纜應(yīng)運而生。光纖傳遞信號具有品質(zhì)高、可靠性強(qiáng)、抗電

磁干擾、耐海水腐蝕等優(yōu)點。1988年，世界上第一條橫跨大西洋，連接北美洲與歐洲的海

底光纜投入使用。

(5)海底村莊。海底工廠和海底城市是人類繼海上工廠、海上城市后開發(fā)海洋的又?重

大課題。20世紀(jì)初，西歐一些科學(xué)家企圖通過實驗證明，人類完全可以像魚類一樣長期在

海底生活，于是倡議建立海底村莊。

幾年前，美國有人在佛羅里達(dá)州基拉各市的淺海底開設(shè)了一家酒店。這家酒店以19世

紀(jì)一位科幻小說家的名字命名，叫“凡爾納海底酒店”。該酒店用金屬合成材料制成，包括

客廳、臥室、廚房和浴池。房間里安裝了彩電、電腦、電話、微波爐等現(xiàn)代化家用電器。這

個酒店吸引人的地方是，從每個房間窗口望出去，都可以看到海中的美景，讓人感到像是住

在水晶宮里一般。酒店里有一個“潛水室”，在這個潛水室里換上潛水服，可到酒店外的海

底活動。

未來，隨著各種海洋資源的大力開發(fā)，很多海底采礦區(qū)、海底工廠、海底倉庫和海底城

市將出現(xiàn)，那時海底交通問題將變得日益重要。科學(xué)家們正在研制?種可以在陸地上和海底

連通的軌道上行駛的兩棲列車，并計劃在幾年以內(nèi)投入使用。至那時，人們乘坐這種密封的

列車潛入海底，通過玻璃窗，可以盡情地欣賞水下世界的誘人景色。

海洋遙感技術(shù)是海洋環(huán)境監(jiān)測的重要手段。衛(wèi)星遙感技術(shù)的突飛猛進(jìn)，為人類提供了從

空間觀測大范圍海洋現(xiàn)象的可能性。目前，美國、日本、俄羅斯等國已發(fā)射了10多顆專用

海洋衛(wèi)星，為海洋開發(fā)提供了堅實的支撐平臺。

展望未來，增強(qiáng)海水是寶貴資源的意識，制定海水資源開發(fā)利用政策、法規(guī)和發(fā)展規(guī)劃，

建設(shè)國家級海水資源開發(fā)利用綜合示范區(qū)和產(chǎn)業(yè)化基地，強(qiáng)化海水資源開發(fā)利用裝備研發(fā)和

生產(chǎn)基礎(chǔ)，培育我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的海水淡化、海水直接利用和海水資源綜合利用技術(shù)、

裝備和產(chǎn)品體系，是推動我國海水資源開發(fā)和利用朝陽產(chǎn)業(yè)形成、發(fā)展，并成為我國沿海地

區(qū)的第二水源，以及走向世界的重要保障。

三、物質(zhì)

（一）牛頓和他的經(jīng)典力學(xué)原理

1.牛頓第一定律質(zhì)性定律

物體在不受外力作用而改變它的運動狀態(tài)的情況下，都保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)，

這個定律叫牛頓第一定律。

物體具有保持原來勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)，叫物體的慣性。因此，牛頓第

一定律又叫慣性定律。

物體的慣性大小怎樣量度呢？日常生活經(jīng)驗告訴我們，物體的質(zhì)量愈大，要改變它的運

動狀態(tài)愈困難。要推動一輛人力車或讓它停下來，是比較容易的，因為它的質(zhì)量比較小。但

要推動?輛汽車或讓行駛中的汽車停下來，就比較困難了。啟動或阻止一列火車則是更困難

的事。由此我們得出結(jié)論：描述物體慣性的物理量是它的質(zhì)量。質(zhì)量是標(biāo)量，單位是千克（或

克），符號是kg（或g）。

2.牛頓第二定律

物體運動加速度的大小與作用力成正比，與物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向與作用力

的方向相同。通常用公式表示：

F=kma

式中的F指物體所受的合力，m是物體的質(zhì)量，a是物體運動加速度，A是比例系數(shù)。

在使用相同單位制的情況下，k=l。

3.牛頓第三定律

力是物體與物體之間的相互作用，它們總是成對出現(xiàn)的：物體的重量壓在桌面上產(chǎn)生壓

力，桌面產(chǎn)生支撐力（彈力）。我們用手拉彈簧，彈簧發(fā)生形變，彈簧受到拉力的同時，人手

也受到彈簧的位力。

當(dāng)一個物體A對另一個物體B施加作用力時，物體B一定同時對物體A施加反作用力。

牛頓第三定律指出，兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同

一條直線上。

(二).愛因斯坦和相對論革命

(1)狹義相對論的建立。1946年，即在愛因斯坦67歲這一年，他應(yīng)出版公司寫了一篇

《自述》，簡要回顧了自己的科學(xué)思想發(fā)展歷程。他說：“法拉第—麥克斯方的電力學(xué)，使物

理學(xué)家們在長期猶豫不決之后，終于逐漸放棄了把全部物理學(xué)建立在牛頓力學(xué)之上的信念。

因為這一理論及赫茲實驗對它的證實表明：存在著這樣種電磁現(xiàn)象，它們按其本性不同于

任何有重物質(zhì)，它們是在空虛空間里由電磁'場'組成的波?！睋Q言之，牛頓力學(xué)是描述宏

觀低速物體機(jī)械運動規(guī)律的力學(xué)體系，而電磁波是以光的速度傳播的高速運動，是遵守狹義

相對論力學(xué)原理的。

牛頓力學(xué)認(rèn)為，有絕對的時間空間，物體相對于絕對時空的運動是絕對運動，相對于其

他參照系的運動則是相對運動。但在愛因斯坦看來，所有參照系都是等價的，一切運動都是

相對的。

狹義相對性原理是指物理定律在一切慣性系中普遍成立，經(jīng)過這樣的發(fā)展，使它的范圍

擴(kuò)大了，不僅適用于力學(xué)定律。而且適用于電磁學(xué)定律、光學(xué)定律利其他一切物理定律。

(2)時間空間的相對性。

①同時的相對性。設(shè)想當(dāng)一列火車停在車站時，它的中間正上方P點有一道閃電發(fā)出。

這時處在車尾部的觀察者A和處在車頭處的觀察者B距離P恰好相等，兩人將同時看到閃電

的光信號。如果火車以很高的速度勻速前進(jìn)，當(dāng)P點發(fā)出的光信號到達(dá)時火車已經(jīng)前進(jìn)到A：、

B1的位置，此時PBDPA1,A觀察者必然先于B觀察者看到光信號。原本同時的事件現(xiàn)在明

顯地不再同時了。

②時間的延緩效應(yīng)。由于光速在真空中運動速度的不變性和有限性，觀察者必須借助光

信號判定時間和空間，這樣，處在不同慣性系中的觀察者所看到的時間，其“節(jié)奏”有可能

不再同步，即運動慣性系中的時鐘走得較慢。這種狀況稱為時間延緩效應(yīng)，或鐘慢效應(yīng)。

③空間距離的相對性。在相對論看來，距離的長度與坐標(biāo)系的運動狀態(tài)有關(guān)。運動的速

度越快，測量的長度越短，當(dāng)運動速度接近光速時，長度接近于零。這就是“尺縮效應(yīng)”。

④質(zhì)量與運動的關(guān)系。質(zhì)能等當(dāng)原理。運用狹義相對論的變換關(guān)系，可以得出任何具有

質(zhì)量為M的物體，都具有能量E,它們之間的關(guān)系是：

E=mc2

即使當(dāng)物體處于靜止時，即它的運動速度為0,也有一個對應(yīng)的能量E0=m“2

(三)原子結(jié)構(gòu)

1.人類對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識

人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索，?直是“自然之謎”中的一個重要謎題。中國古代學(xué)者曾經(jīng)猜

想物質(zhì)是可以無限分割的，古希臘人則認(rèn)為物質(zhì)由不可再分的基始——原子所構(gòu)成。

19世紀(jì)末，有兩個實驗對原子“不可再分性”提出了有力挑戰(zhàn)，?個是X射線的發(fā)現(xiàn),

再一個是放射性元素的發(fā)現(xiàn)，這兩個重大發(fā)現(xiàn)均有一定的偶然性。

德國醫(yī)生倫琴在做陰極射線實驗中卻意外發(fā)現(xiàn)放在實驗臺下的照相膠卷曝光變黑了。這

種現(xiàn)象過去也有其他實驗者遇到過，但卻作為偶然事件而沒有引起注意。倫琴對多次發(fā)生的

膠卷感光事件的原因做了進(jìn)一步的思索，認(rèn)為是電子管發(fā)出的一種波長很短的“以太橫波”

造成的?？茖W(xué)界稱這種射線為倫琴射線。

在原子結(jié)構(gòu)理論建立后才搞清楚，倫琴射線是原子周圍低軌道電子被激發(fā)躍遷時釋放出

的高頻率電磁波，它比紫外光的波長還要短得多，因而不可見，但穿透性很強(qiáng)。這種現(xiàn)象向

人們提示：原子內(nèi)部是有結(jié)構(gòu)的。

1896年，法國科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)，鈾化物能發(fā)出一種類似于X射線的射線，它能使

密封在黑紙中的照相底片感光，能穿透人的衣服使人的皮膚灼傷?？茖W(xué)家斷定，這種能量很

強(qiáng)的射線來自原子的更深層——原子核內(nèi)的變化。這種由放射性物質(zhì)衰變生成的射線包含

a、B、Y3種射線，當(dāng)時稱為貝克勒爾射線。這使人想到原子核內(nèi)也有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。這一

時期，各種帶有猜想性的原子模型被提出來，比較有影響的有：

(1)湯姆生模型。1897年，湯姆生用實驗證實原子中存在電子，且電子的質(zhì)量還不到

氫原子質(zhì)量的千分之一(進(jìn)一步精確測定電子質(zhì)量為氫原子質(zhì)量的1/1836)。電子的發(fā)現(xiàn)

表明原子并不是“不可再分”，而是由更小的微粒構(gòu)成的。1904年