地球/5d. 海面环流
被困在冰中，美国船只 让娜号 正在被压碎，它的木质船体在冰冷的海洋的强力控制下裂开并断裂。在过去的一个月里，这艘船一直被困在北极冰中。船员们争先恐后地将船只卸到光秃秃的白色荒地上。他们拖着船只，惊恐地看着这艘船的残骸在北冰洋冰冷的画布之间沉没。这次探险由他们的船长 乔治·W·德龙 带领，他是一名美国海军军官，正在寻找通往开放的北极海的通道。他的船在冰下沉没，使他的船员被困在冰冻的海洋上。德龙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°，然后命令士兵们拖着船只和剩下的补给穿过广阔的冰面。
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到达开阔水域后，他们将船只驶入未结冰的水域，向南划桨。首席工程师 乔治·梅尔维尔，一位有着长长预言般胡须的坚毅人物，带领着一群幸存者。梅尔维尔在海军中一路晋升，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不济的 北极星探险队 的幸存者，这是一次前往北极的尝试。现在再次陷入类似的境地，乔治·梅尔维尔看着各种船只在开阔水域中颠簸，很快在夜间分散开来。这是他最后一次见到德龙船长，他活着。他的小船上的船员在登上西伯利亚北部海岸的勒拿三角洲后幸存下来。在接下来的一年里，梅尔维尔一直在寻找德龙，最终发现了他的尸体以及 11 名船员的尸体。他还找到了船长的航海日志，上面记录了他们到达北极的最远距离。梅尔维尔在 1884 年出版的一本书中写下了这次不幸的探险和寻找船长的经历。
同年，即 1884 年，他们在 格陵兰 沿海发现了他们的船只残骸。尽管这艘船在西伯利亚北部沉没在冰中，但它不知何故被北极洋流带到数千英里外的格陵兰南部。这艘残骸的漫长航程引发了挪威探险家 弗里乔夫·南森 尝试利用蒸汽船故意驶入冰层，让冰层将船只尽可能地带到北极的设想。一旦被困的船只在冰中到达最北端，一只狗拉雪橇队就可以从冰封的船只下船，并在冻结的海冰上行走剩下的几英里，到达地球最北端。这是一个大胆的计划，需要了解高纬度地区的洋流和海冰的运动。
这艘名为弗拉姆号的蒸汽船从挪威出发，沿着西伯利亚北部海岸航行，然后转向北，直到遇到冰层。这艘船被困在冰中，被冰层带着向北，然后向西航行，三年后，在 1895 年 3 月 14 日到达最北端，弗里乔夫·南森和希亚尔马·约翰森从冰封的船只下船，继续乘坐狗拉雪橇向北。南森在他的六分仪上记录了北纬 86°13.6′，然后折返，无法到达北纬 90°的北极。在接下来的几年里，这两个人在海冰上向南行驶，奇迹般地，两个人都幸存下来。冰封的蒸汽船及其船员从冰中被释放，成功航行回挪威。没有船员在这次尝试中死亡，尽管没有到达北极，但这次探险被视为一次巨大的成功。南森原本是一名海洋动物学家，他回到家后便致力于研究海洋。
弗里乔夫·南森仍然对洋流如何在世界各地流动感到困惑。他特别感兴趣的是冰山和搁浅的船只如何被洋流带走。在这次探险中，南森利用了 **跨极漂流**，这是一种从西伯利亚海岸向西流向格陵兰的洋流，它是由一个称为 **博福特环流** 的大型环流驱动的，该环流围绕北极旋转。在海洋学中，环流是指大洋表面的一个大型循环洋流。博福特环流围绕北极顺时针旋转，而地球则围绕极轴逆时针旋转。南森认为，海洋表面与地球旋转方向相反的原因是，与固体地球不同，液体海洋（以及上方的气态大气）与地球表面只是松散地连接在一起，地球自转的惯性和阻力导致液体落后于固体地球的运动。当南森的船被困在海冰中时，地球在其下方旋转，而带着冻结的海冰和被困船只的液态海洋似乎抵制了这种运动，因此格陵兰海岸被带到船只附近，因为固体地球在其下方旋转。然而，南森意识到情况并非如此，因为海洋和固体地球以几乎相同的恒定速度和惯性绕轴旋转。冰层和洋流应该与旋转的地球同步旋转。在探险期间，南森注意到冰层以 20° 到 40° 的角度漂移到盛行风向的右侧，他怀疑洋流受盛行风向的影响。
南森联系了 维尔赫姆·比耶克尼斯 教授，他在 乌普萨拉大学 研究 流体动力学。比耶克尼斯认为，洋流主要受地球运动产生的科里奥利力的控制，但他建议他的最优秀的学生 瓦格恩·瓦尔弗里德·埃克曼 为他的博士研究进行这项研究。埃克曼与粗犷的北极探险家南森截然不同。埃克曼是一位戴着厚厚眼镜、身材矮小而文弱的学者。他更喜欢数学方程式，在当地合唱团中弹奏钢琴和唱歌。
在恒定速度下使用旋转水碗进行的流体动力学实验表明，当从上方将彩色染料滴入水中时，旋转碗（无加速度）会产生稳定效应。这是因为染料滴入旋转水碗的点或位置的速度和惯性与下面的旋转碗相同。事实上，观察到染料的颜色形成了一个窄柱，并且相对于下面的旋转碗没有旋转。这似乎表明南森的北极探险壮举是不可能的。然而，如果从侧面将染料加入旋转水碗中，染料会很快螺旋状流动，这是由于科里奥利效应，因为染料正在穿过不同的半径，因此它的速度由于这种水平运动而发生了变化。
埃克曼怀疑，在开阔的海洋中，有各种力量在改变海水速度或速度，这会导致水的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，而是具有复杂的地形，这个边界是最坚固的，因为它承受着来自上方水的最大压力。第二个埃克曼层是海洋表面。在这里，海洋受风的影响，承受着最小的压力。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。风只会影响海洋最上层的部分，可能只有 10 米深。这两个埃克曼层之间产生的压力梯度导致每层之间的速度发生变化，导致液体海洋产生剪切，因为上部受风向影响，下部受旋转地球影响。使用数学公式，埃克曼证明了这种运动会导致海洋内部的旋转或螺旋运动，称为埃克曼螺旋。
在海洋表面，水平运动的方向最大，因为地转风对海洋表面的影响。地转风会驱动它们下面的海水垂直于科里奥利方向流动，然而，由于水不受气压梯度的影响，它们会受到科里奥利方向的影响更大，导致洋流的方向与盛行风向成 20° 到 40° 的角度（在北半球）。埃克曼螺旋和埃克曼开发的数学方法使人们对洋流运动有了深刻的理解。
埃克曼螺旋具有几个重要意义。首先是表面或近地表海水流动最快，而深层海水流动性要小得多，并且更固定地附着在海底。海洋学家将地球上海水循环运动描述为两种截然不同的模式。表层洋流的流动性要大得多，表层海水快速地环绕地球流动（几个月到几年），而深层洋流要慢得多，深层水的长期循环模式持续数百或数千年。埃克曼螺旋也表明了南森的大胆探险为何能够成功，因为这艘船被困在表面的海冰中，它受到横跨极地漂流的盛行地转东风的影响，再加上科里奥利效应使博福特环流以顺时针方向旋转。这导致表层海水和海冰以 20° 到 40° 的角度流动，与盛行风向成一定角度，导致南森几乎成功地到达北极。
上升流和下降流
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埃克曼螺旋有助于理解海水是如何通过水柱垂直运动的，尤其是在大陆边缘沿海岸线附近的海水中。当风向驱动洋流朝海岸线移动或远离海岸线移动时，就会发生这种上升流和下降流。如果盛行风吹向海洋，导致表层洋流从海洋向陆地移动，并且这些表层洋流垂直于海岸线，那么表层海水会导致海水下降，因为当海水到达海岸时会被推向更深处。然而，当盛行风从陆地吹向海洋，表层洋流垂直于海岸线，方向相反时，就会发生上升流，因为表层海水会被推离海岸线，将深层海水带到表面。然而，通常情况下，盛行表层洋流并不仅仅垂直于海岸线，导致一种称为沿岸流的水流。沿岸流取决于盛行倾斜风向，该风向将水和沉积物（如海滩沙子）沿海岸平行于海岸线运输。当沿岸流在相反方向汇合，或波浪发生断裂时，就会形成离岸流，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，因为强烈的洋流会将毫无戒心的游泳者带离岸边。值得注意的是，埃克曼研究导致的上升流和下降流在整个海洋中相对较浅，主要发生在岛屿和大陆的浅海岸线上。深渊带最深的海水需要不同的机制才能将这些深层海水提升或降低到表面，这将在后面讨论。然而，埃克曼的发现和数学模型对于理解世界各地的表层洋流至关重要。
表层洋流
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北半球的表层洋流将以顺时针方向向右旋转，而南半球的表层洋流将以逆时针方向向左旋转。最著名的表层洋流之一是墨西哥湾暖流，它从西印度群岛延伸到加勒比海，沿着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。墨西哥湾暖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大规模旋转。墨西哥湾暖流将温暖的海水带到西欧的海岸，导致这些地区的温带气候。加那利寒流从西班牙沿着非洲海岸向南流动，导致较冷的表层海水向赤道流动，在那里洋流与北赤道洋流相遇，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。沿着南赤道洋流向西流动，然后沿着巴西海岸向南流动，横跨南大西洋向东流动，然后沿着纳米比亚海岸向北流动，形成一个逆时针回路，称为南大西洋环流。在北大西洋环流和南大西洋环流的中心，表层洋流相当静止。早期的水手将北大西洋环流的中心称为马尾藻海，这个名字来源于生长在相当静止的海水中大量褐藻马尾藻。如今，这些北大西洋和南大西洋地区的中心被称为更加不祥的名字：垃圾带。倾倒到海洋中的塑料和其他垃圾在这些海洋区域积累，形成了大量由微塑料聚乙烯和聚丙烯组成的漂浮物，这些微塑料构成了被倾倒并带到海洋中的常见家用物品。
在北大西洋环流和南大西洋环流之间，有一个区域，历史上水手将其称为无风带，它位于大西洋的赤道纬度。这里表层海水受科里奥利力的影响较小，因为海水与地球自转方向相同。这导致了所谓的赤道逆流。赤道逆流将表层海水从西向东运输，方向与将水手从东向西带到赤道附近的东信风相反。赤道逆流是赤道辐合带（ITCZ）风的结果，赤道辐合带形成一个低压辐合区，因为大气中的空气由于这些温暖水域的太阳照射升温而上升。
帆船会避开这些区域，因为这些区域会显著减缓依赖表面洋流和盛行风的帆船航行速度。从欧洲前往北美的水手会沿着这个区域北部的东风航行，而返回欧洲的水手则会沿着墨西哥湾暖流的西风航行，在返回欧洲的航程中，他们会比前往北美的航程更北地穿越北大西洋。这导致了早期横跨大西洋的贸易路线沿着从西印度群岛向北到纽约的海岸线航行，导致货物从南部沿北美东部港口向北部运输。虽然加勒比海群岛是欧洲和非洲商人穿越大西洋后在北半球到达的首批地点之一。如今的船舶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遗失货物的流动方向，并且对于营救受困于海洋和洋流的水手很有用。
太平洋的表面洋流与大西洋相似，但规模更大。同样，也有两个大型环流。在北太平洋，**北太平洋环流**是一个顺时针方向的表面洋流。温暖的赤道水流沿亚洲海岸向北流动，进入韩国和日本，形成了**日本暖流**。这条洋流，就像墨西哥湾暖流一样，是一条向北流动的暖流，它流经北太平洋，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**。这种温暖的赤道水流在北太平洋的流动导致了北美北部海岸线的类似变暖。它还会将漂浮的垃圾从日本海岸带到加拿大和美国的太平洋西北海岸。尽管由于太平洋比大西洋更大，因此海水温度略低。然而，太平洋西北部的表面海水温度比这种高纬度地区通常预期的要高。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，尽管其纬度相对偏南。这些温暖的表面洋流可能导致北美太平洋海岸的很大一部分在过去的冰河时期没有被冰雪覆盖，而当时加拿大内陆被巨大的冰盖覆盖。现在冷却的水流沿着美国太平洋海岸向南流动，导致南加州的气候更凉爽、更温和，这与洛杉矶等城市更南的纬度相比是不寻常的。表面洋流对当地气候有深远的影响。
**南太平洋环流**的旋转方向与北方相反，为逆时针方向。这导致温暖的赤道海水表面洋流流入澳大利亚南部和新西兰海岸，给这些地区带来了温暖的水流。**东澳大利亚洋流**，与日本暖流和墨西哥湾暖流一样，使这些地区变暖，包括大堡礁南部的悉尼港。然后，表面洋流横穿南太平洋，但在沿着南极绕极流推动时变冷，秘鲁寒流将冷水带到南美洲西海岸，一直到加拉帕戈斯群岛。尽管位于赤道附近，但加拉帕戈斯群岛附近的水域由于秘鲁寒流的影响，与其他赤道海水相比，相对凉爽。企鹅在岛屿的岩石海岸线上栖息，这是它们最北部的分布范围。就像在大西洋中一样，一个大型**赤道逆流**在 ITCZ 内向东流动，也导致了太平洋的赤道无风带。
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，它以逆时针方向旋转。由于 ITCZ 的影响，在印度南部海岸附近有一个向东流动的赤道逆流。这个区域每年都会向北移动到印度次大陆上空，每年都会产生印度季风雨。东非和马达加斯加享受着与墨西哥湾暖流、日本暖流和东澳大利亚洋流相似的温暖热带洋流，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，环绕着南极洲的海岸。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，导致了上面提到的许多环流。南极绕极流向东流动，并且由于其路径上没有主要陆地，因此持续不断地流动，永远环绕着南极洲的海岸。这些海水仍然很冷，与其他洋流相比冷得令人难以置信，因为表面洋流不会循环到地球更温暖的赤道区域。
南极绕极流的出现始于渐新世时期，即 3390 万年前，当时将南美洲和南极洲分开的德雷克海峡开放，使洋流能够在这两个大陆之间流动，并阻止了寒冷的南极海水向北输送。从那时起，南极绕极流使南极洲显著变冷，导致南极洲形成了巨大的冰盖，使其成为如今寒冷而荒凉的地方。南极绕极流对地球产生了全球性影响，导致全球气温下降，从而导致了大冰河时代的开始。在这段事件发生之前的数百万年，一个不再存在的全球赤道洋流存在，它流经北美洲和南美洲之间，并延伸到古代的海道——特提斯海——它将非洲和欧洲隔开，覆盖了中东。赤道附近的这条洋流导致了始新世时期（大约 5000 万年前）地球上一些最温暖的全球气候。表面洋流对区域和全球气候有重大影响，因为它们是通过对流将温暖和寒冷的海水带到地球表面的不同区域的一种方式。
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