地球/5d. 表面洋流
美国船只让娜号被困在冰中，木质船体在刺骨的寒冷中开裂破碎。过去一个月，该船一直在北极冰中被困。船员们慌忙地将船只卸到平坦的白色的荒凉地带。他们拖着船只，惊恐地看着船只的残骸沉入冰封的北冰洋的冰冷幕布中。探险队在他们的队长乔治·W·德隆的带领下，前往北极，他是一位美国海军军官，正在寻找通往北极开放海域的航线。他的船沉入冰中，让他的船员被困在冰封的海洋上。德隆拿出了他的航海日志，记录了沉船的位置，北纬 77°15′ 东经 155°00′ / 北纬 77.25° 东经 155°，然后命令船员们拖着船只和他们剩下的所有物资穿过广阔的冰面。
.jpg)
他们到达开阔的水域后，便驾着船只驶入没有冰封的水域，向南划去。首席工程师乔治·梅尔维尔是一位坚毅的人物，留着长长的预言般的胡须，带领着一组幸存者。梅尔维尔在海军中一步步晋升，帮助建立了美国海军学院，是这种危险的北极探险的资深人士。1873 年，他自愿帮助营救了命运多舛的北极星探险队的幸存者，该探险队试图到达北极。现在，同样被困在类似的境地中，乔治·梅尔维尔目睹着不同的船只在开阔的水面上颠簸，很快就在夜间分开了。这是他最后一次见到德隆船长活着。他船上的小船员在登上西伯利亚北部海岸的勒拿河三角洲后幸存下来。在接下来的一年里，梅尔维尔一直在寻找德隆，最后发现了他的遗体，以及 11 名船员的遗体。他还发现了船长的航海日志，记录了他们最接近北极的距离。梅尔维尔在 1884 年出版的一本书中写下了这次命运多舛的探险，以及对船长的搜寻。
同年，即 1884 年，他们的船只残骸在格陵兰岛海岸附近被发现。尽管这艘船在西伯利亚北部冰中沉没，但它却以某种方式被极地洋流从北冰洋带到了南格陵兰岛，相隔数千公里。这艘沉船的长途航行，激发了挪威探险家弗里乔夫·南森试图再次抵达北极的念头，他打算故意驾驶一艘汽船驶入冰中，让冰将这艘船尽可能地带到北极。一旦被困的船只在冰中到达最北端，一支狗拉雪橇队就可以从被冰封的船只上卸下，然后在冰封的海冰上行驶剩余的几公里，到达地球最北端。这是一个大胆的计划，需要了解高北极海流和海冰的运动。
这艘名为“弗拉姆”号的汽船从挪威出发，沿着西伯利亚北部海岸航行，然后向北回旋，直到遇到冰。这艘船被困在冰中，进行了为期三年的向北然后向西的航行，当它在 1895 年 3 月 14 日到达最北端时，弗里乔夫·南森和赫亚尔马尔·约翰森从被困在冰中的船只上卸下，然后乘坐狗拉雪橇继续向北进发。南森在六分仪上记录了北纬 86°13.6′，然后转身折返，无法到达北纬 90° 的北极。在接下来的几年里，这两位探险家在海冰上向南行驶，奇迹般地两人都幸存了下来。这艘被冰困的汽船及其船员从冰中获救，并成功地航行回挪威。没有船员在这次尝试中死亡，尽管没有到达北极，但这次探险被认为是一次巨大的成功。南森受过海洋动物学训练，回到家乡后便致力于研究海洋。
弗里乔夫·南森一直对洋流在地球上的流动方式感到困惑。他特别想知道冰山和搁浅的船只是如何被洋流带走的。在探险过程中，南森利用了跨极地漂流，这是一股从西伯利亚海岸向西流向格陵兰岛的洋流，由一个围绕北极的大型环流驱动，称为博福特环流。在海洋学中，环流是指海洋表面的大型环流。博福特环流围绕北极顺时针旋转，而地球围绕极轴逆时针旋转。南森推断，海洋表面与地球旋转方向相反的原因是，与固态地球不同，液态海洋（以及上方的气态大气）只是松散地附着在地球表面，地球自转的惯性和阻力导致液体落后于固态地球的运动。当南森的船被困在海冰中时，地球在船下旋转，而携带冰冻海冰和被困船只的液态海洋似乎抵制了这种运动，因此格陵兰岛海岸朝着船只移动，因为固态地球在它下方旋转。然而，南森意识到这不是真的，因为海洋和固态地球以几乎相同的恒定速度和相同的惯性绕轴旋转。冰和洋流应该与旋转的地球同步旋转。在探险过程中，南森注意到冰的漂移方向与盛行风向之间存在 20° 到 40° 的夹角，他怀疑洋流受到盛行风向的影响。
南森联系了维尔赫尔姆·比约克尼斯教授，他在乌普萨拉大学研究流体动力学。比约克尼斯认为洋流主要受地球运动产生的科里奥利力控制，但他建议他的最优秀的学生瓦格·瓦尔弗里德·埃克曼进行博士研究。埃克曼与粗犷的北极探险家南森截然相反。埃克曼是一位刻苦的学生，戴着厚厚的眼镜，身材矮小纤细。他对数学方程式更感兴趣，并且弹奏钢琴，在当地合唱团唱歌。
在恒定速度下，用旋转的水盆进行的流体动力学实验表明，当从上方向水中添加彩色染料时，旋转水盆（零加速度）会产生稳定效果。这是因为染料添加到的旋转水盆的点或位置与下方旋转水盆具有相同的速度和惯性。事实上，观察到染料的颜色形成了一条狭窄的柱状，并且相对于下方旋转的水盆没有旋转。这似乎表明南森的北极探险壮举是不可能的。然而，如果从侧面向旋转水盆添加染料，染料会由于科里奥利效应而迅速旋转，因为染料正在穿过不同的半径，因此其速度由于这种水平运动而发生变化。
埃克曼怀疑，在开阔的海洋中，各种力量在起作用，改变着海水速度或速度，从而使水不稳定并导致其运动。埃克曼定义了两个边界，称为埃克曼层，第一个是海底。海底并不平坦，而是具有复杂的形貌，这个边界是最坚固的，因为它受到上方水的最大压力。第二个埃克曼层是海面。这里，海洋受风吹影响，承受的压力最小。盛行风将受地转流的控制，地转流受大气压梯度和科里奥利力的平衡影响；这些地转风倾向于平行于气压梯度流动。风只会影响海洋的最上层部分，也许只有到 10 米深。两个埃克曼层之间的这种压力梯度会导致每一层之间的速度变化，从而导致液态海洋的剪切，因为上层受风向的影响，而下层受地球自转的影响。使用数学公式，埃克曼证明这种运动会导致海洋中出现旋转或螺旋运动，称为埃克曼螺旋。
在海面上，水平运动的方向将最大，因为地转风对海面的影响。地转风将驱使它们下方的海水垂直于科里奥利方向流动，然而，由于海水不受气压梯度的影响，它们将更多地受到科里奥利方向的影响，导致洋流以 20° 到 40° 的角度向右（在北半球）偏离盛行风向。
埃克曼螺旋具有几个重要的意义。首先，表层或近表层海水移动最快，而深层海水则活动性要小得多，并且更永久地固定在海底。海洋学家将地球上海水环流的运动描述为两种截然不同的模式。表层洋流活动性更强，表层海水以非常快的速度（几个月到几年）环绕地球，而深层洋流则要慢得多，深层水的长期环流模式持续数百或数千年。埃克曼螺旋还证明了南森的大胆探险是如何能够成功的，因为这艘船被困在海面上的海冰中，它受到跨极地漂移的盛行地转东风的影响，此外，科里奥利效应使博福特环流顺时针旋转。这导致表层海水和海冰以 20° 到 40° 的角度相对于盛行风向移动，导致南森几乎成功地到达了北极。
上升流和下降流
[edit | edit source]
埃克曼螺旋有助于理解海水如何能够垂直穿过水柱运动，特别是在大陆边缘附近的海水中。当风向驱动洋流要么朝海岸线流动，要么远离海岸线流动时，就会发生这种上升流和下降流。如果盛行风吹动并导致表层洋流从海洋流向陆地，并且这些表层洋流垂直于海岸线，那么表层海水将导致海水下降，因为海水在到达海岸时被推向更深处。然而，当盛行风从陆地吹向海洋，而表层洋流与海岸线成相反方向垂直时，就会发生上升流，因为表层海水将被推离海岸线，将深层海水带到海面。然而，通常盛行表层洋流并不仅仅垂直于海岸线，从而导致被称为沿岸流的水流。沿岸流依赖于盛行的倾斜风向，该风向将水和沉积物（如海滩沙子）沿着海岸线平行于海岸线输送。当沿岸流在相反方向汇合，或者波浪中断时，就会形成离岸流，它将表层海水从岸边带走并流向大海。离岸流对游泳者来说很危险，因为强大的洋流会将毫无戒心的游泳者从岸边带走。重要的是要注意，埃克曼研究导致的海水上升流和下降流在整个海洋中都相对较浅，并且主要发生在岛屿和大陆的浅海海岸线附近。深海中深渊带的最深处需要不同的机制来将这些深层海水提升或降低到海面，这将在后面讨论。然而，埃克曼的发现和数学模型对于理解全球表层洋流至关重要。
表层洋流
[edit | edit source]
北半球的表层洋流将向右顺时针旋转，而在南半球，表层洋流将向左逆时针旋转。最著名的表层洋流之一是墨西哥湾流，它从西印度群岛延伸到加勒比海，然后沿美国和加拿大东海岸向北流动，将温暖的赤道海水带到不列颠群岛和欧洲。墨西哥湾流是更大的北大西洋环流的一部分，北大西洋环流在北大西洋以顺时针方向旋转。墨西哥湾流将温暖的海水带到西欧海岸，使这些地区的温度更高。加那利寒流从西班牙沿非洲海岸向南流动，导致较冷的表层海水向赤道流动，在那里洋流与北赤道流相遇，完成了北大西洋环流的完整回路。在南大西洋，表层洋流以逆时针方向旋转。沿南赤道流向西流动，然后沿巴西海岸向南流动，穿过南大西洋向东流动，最后沿纳米比亚海岸向北流动，以逆时针方向流动，成为南大西洋环流。在北大西洋环流和南大西洋环流的中心，表层洋流保持相当静止。早期的水手将北大西洋环流的中心称为萨加索海，之所以这么叫，是因为在相当静止的海水中漂浮着大量的马尾藻属褐藻。今天，这些北大西洋和南大西洋区域有一个更不祥的名字，即垃圾带。倾倒在海洋中的塑料和其他垃圾积聚在海洋的这些区域，在那里它们形成了由微塑料聚乙烯和聚丙烯组成的巨大漂浮物，这些材料构成了常见的家庭用品，这些用品被倾倒并带入海洋。
在北大西洋环流和南大西洋环流之间，有一个区域，水手们在历史上称之为无风带，它位于大西洋的赤道纬度。这里，表层海水受到科里奥利力的影响较小，因为海水与地球自转方向相同。这导致了被称为赤道逆流的现象。赤道逆流将表层海水从西向东输送，方向与将水手从东向西带到赤道附近的东风相反。赤道逆流是热带辐合带（ITCZ）风的产物，热带辐合带形成一个低压汇合带，因为大气中的空气由于这些温暖水域的太阳热量增加而上升。
帆船会避开这些区域，因为它们会显著减缓依赖于表面洋流和盛行风航行的帆船航行速度。从欧洲前往北美的水手会沿着该区域北部的东风带航行，而返回欧洲的水手则会沿着墨西哥湾暖流的西风带航行，比他们前往北美的航程更靠北穿越北大西洋。这导致了早期跨大西洋贸易路线沿着从西印度群岛向北到纽约的海岸线航行，最终导致商品从南方沿着北美东部港口向北方运输。虽然加勒比海岛屿是欧洲和非洲商人穿越大西洋后在北半球到达的首批地方之一。如今的船只受表面洋流和盛行风的影响较小，因为它们配备了驱动船体下方螺旋桨的发动机。然而，表面洋流确实决定了船舶丢失货物的流动方向，对于营救受困于海洋及其洋流的水手来说也十分有用。
太平洋与大西洋的表面洋流类似，但规模更大。同样，有两个大型环流。在北太平洋，**北太平洋环流**是表面洋流的流动，遵循顺时针方向。暖赤道水沿着亚洲海岸向北移动，进入朝鲜和日本，形成**日本暖流**。这股洋流类似于墨西哥湾暖流，是一股向北移动的暖流，流经北太平洋，然后沿着北美西太平洋海岸向南流动，在那里被称为**加利福尼亚寒流**。暖赤道水流经北太平洋的这种运动导致北美北部海岸线出现类似的变暖现象。它也使漂浮的碎屑从日本海岸移动到加拿大和美国太平洋西北部的海岸。虽然由于太平洋比大西洋更大，因此海水略微冷却。然而，太平洋西北部表面海水比在如此高纬度地区通常预期的温度更高。例如，加拿大温哥华（位于北纬 49.30°）的年平均气温为 11.0°C，而加拿大哈利法克斯（位于北大西洋海岸，北纬 44.65°）的年平均气温仅为 6.5°C，尽管其纬度相对更低。这些温暖的表面洋流可能使得北美太平洋海岸的很大一部分在过去的冰河时期没有结冰，当时巨大的冰盖覆盖了加拿大内陆。现在正在冷却的海水沿着美国太平洋海岸向南流动，导致南加州的气候更加凉爽，比洛杉矶等城市的更靠南的纬度预期要更温和。表面洋流对当地气候有深远的影响。
**南太平洋环流**的旋转方向与北半球相反，呈逆时针方向。这导致暖赤道表面洋流流入澳大利亚南部和新西兰海岸，将暖流带到这些地区。**东澳大利亚洋流**与日本暖流和墨西哥湾暖流类似，给这些地区带来温暖，包括大堡礁南至悉尼港。然后，表面洋流横穿南太平洋，但在沿着南极绕极流推动时会冷却，秘鲁寒流将冷水沿着南美西海岸带走，一直到加拉帕戈斯群岛。尽管纬度处于赤道，但由于秘鲁寒流的冷却作用，加拉帕戈斯群岛附近的海水与其他赤道海水相比相对较冷。企鹅占据了岛屿的岩石海岸线，这是它们最北部的分布范围。就像在大西洋一样，一条大型**赤道逆流**在 ITCZ 内向东流动，也在太平洋产生了赤道无风带。
印度洋与大西洋和太平洋不同，大部分位于赤道以南，因此只有一个大型表面洋流环流，以逆时针方向旋转。由于 ITCZ 的影响，在印度南部海岸有一股赤道逆流向东流动。该区域每年在印度次大陆上空向北移动，导致印度季风降雨。东非和马达加斯加享受着类似于墨西哥湾暖流、日本暖流和东澳大利亚洋流的温暖热带洋流，使这些地区也容易受到台风和飓风的袭击。
最后一个表面洋流是迄今为止最重要的洋流之一：**南极绕极流**，也被称为**西风漂流**，环绕着南极洲海岸。我们讨论的大多数洋流都是地球自转以及大陆排列的产物，大陆阻挡了海水向东流动，导致了上述众多环流的形成。南极绕极流向东流动，由于其路径上没有主要陆地，因此持续不断地流动，始终环绕着南极洲海岸。这些海水保持寒冷，与其他洋流相比极其寒冷，因为表面洋流不会循环到地球的温暖赤道区域。
南极绕极流的出现发生在渐新世早期（距今 3390 万年前），当时将南美洲和南极洲分开的德雷克海峡开放，允许洋流在两大陆之间流动，并阻止南极寒冷的海水向北输送。相反，从那时起，南极绕极流显著冷却了南极洲，导致该大陆形成了巨大的冰盖，使其成为如今极度寒冷的地区。南极绕极流对地球产生了全球影响，导致全球气温下降，从而引发了大冰河时期。在此事件发生前的数百万年前，存在一条不再存在的 *全球赤道流*，它穿过北美和南美之间，并延伸到古代海路（称为特提斯海），该海路将非洲和欧洲分开，覆盖了中东。赤道上的这条洋流导致地球在始新世（距今约 5000 万年前）出现了一些最温暖的全球气候。表面洋流通过对流，将温暖和寒冷的海水带到地球表面的不同地方，对区域和全球气候产生重大影响。
| 上页 | 当前页 | 下一页 |
|---|---|---|