海洋科普（1667）| 海洋电磁场面面观

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随着世界各国对海洋地质调査的深入和开发海洋资源的需要，海洋电磁探测作为一种重要的海洋地球物理方法，越来越受到人们的重视，而海洋电磁场理论的研究会从理论上保障海洋电磁探测工作的顺利开展。

海洋电磁场

1

海水运动产生电磁场

在广阔的海洋中，海水的各种盐类几乎完全电离，这使海水含有大量离子而成为导体。法拉第早在 1832 年就指出：在地磁场中流动的海水，就像在磁场中运动的金属导体一样，也会产生感应电动势。1851 年，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，证实了法拉第的预言。

从 20 世纪 60 年代开始，国际上一些著名的地球物理学家和海洋地质学家对海水运动产生电磁场的理论研究、仪器研制及海上实验做了大量的工作。

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，都能感应出相应的电磁场。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。

海流感生磁场

2

电磁波在海水中的传播

在海洋条件下，受高导海水层的影响，入射到海底的电磁场不同于陆上情况，一般认为海水相当于低通滤波器，了解海底电磁场的特性，必然有助于海底大地电磁探测工作的开展。另外，在海洋条件下的大地电磁探测受人类活动的电磁噪声干扰小，但是受海洋环境的电磁噪声影响比较大。由于引力、地球自转、空气流动等作用，海水始终处于复杂的运动状态中，海水的运动形式是多样的，包括潮波、海流、波浪、涌浪等等。

雷达回波

海洋的表面波浪、涌浪在地磁场中感应产生的电场、磁场与它们的周期、振幅密切相关。对于海洋中常见的表面波，其振幅一般在几十厘米到几米之间、周期在几十秒范围内，它们产生的电场、磁场在海水较大的深度范围内都具有可观测性，海面处磁场一般具有零点几到几个 n T 的强度值。

海流在地磁场中感应产生的电场、磁场主要取决于海流的规模，主要参数为海流的速度及海流厚度。感应电场的垂直分量与海水流速和地磁场的水平分量成正比；感应电场的水平分量与海水流速和地磁场的垂直分量成正比，与海水流向垂直。

波浪谱峰频率

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海洋电磁场的应用

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要求，各国相继开始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。

海洋中海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制造成干扰，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。

区域后向散射系数

1 海洋电磁波通讯

飞机用频率约为30kHz的电磁波，可以将指令下达水下30m深处的潜艇。磁波在地表海面与电离层所构成的两个同心反射层之间传播，垂直透入海面。它能向全球大洋深处的核潜艇下达指令。使用超长波空对潜艇和极长波地对潜艇通讯的优点不仅能穿透海水，而且不受磁爆、核爆炸和太阳黑子的影响。缺点是发射天线太长，只能单向通讯。

2 海底电磁波地质勘探

海底岩石的电导率与它的物理化学性质、温度和含海水量均有关系，裂隙中充满海水的岩石或硫化矿物，都能使岩石的电导率增加2个数量级以上，这可以用电磁波探测到。从海底发射，接收从地层反射回来的电磁波，推断海底下上地幔岩石圈的电磁性质，可用于研究海底岩石圈的结构、热力学过程和海底岩基的运动以及海底矿床的形成和分布。

单体后向散射系数

3 微波探测海洋

海浪不同的波高和波长相当于海面具有不同的粗糙度，对微波能量的散射不同。用微波对海浪扫描，接收海浪对微波散射的能量，可以得出海浪波高和波长的统计分布。微波还可以探测海污、海温、海流、海雾、海冰和海风。海面水汽大、云雾重、可见光和红外遥感受限制，微波却能穿透，具有全天候、全天时的优点，因而卫星微波遥感能同时测量全球海况，成为海洋遥感的主力。

无论海水做何种运动，根据麦克斯韦（Maxwell）电磁理论，它都能因切割地磁场而产生电磁场。这些电磁场必然是海底大地电磁测量中的主要噪声源，了解海水运动产生的电磁场有助于海底大地电磁测量数据的解释、反演。

所以为深入开展海底大地电磁探测工作，研究海洋电磁场具有重要而实际的意义。

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转载编辑：何文韬

初审： 曾瑛

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