海流的環(huán)球之旅

編譯|吳再豐

海流的環(huán)球之旅

編譯|吳再豐

如果將地球當(dāng)成一個(gè)生命體的話，海流猶如身體中循環(huán)的血流。一方面海流會(huì)對(duì)氣候或生態(tài)系統(tǒng)等產(chǎn)生各種影響；另一方面，整個(gè)地球的氣候通過海流奇跡般地保持平衡。

占地球面積70%的是海洋。在那里，巨大的海水構(gòu)成生機(jī)勃勃流動(dòng)的海流。到底是什么致使海水流動(dòng)？在海洋中海流又是怎樣環(huán)球旅行的？日本近海黑潮的部分海水幾乎巡游世界，它在北大西洋沉入深海，上千年后再次返回太平洋。為了揭開海流之謎，我們追隨海流作一次環(huán)繞地球的宏偉之旅吧。

由風(fēng)誕生的強(qiáng)海流

世界的海流大體上分為表層流和深層流雙層結(jié)構(gòu)。引起這兩種不同海流的原因，分別是風(fēng)力和海水的密度差（鹽分等溶解使海水密度增高或溫度降低，具有使海水加重的性質(zhì)）。可見風(fēng)力是制造深度不到千米的淺表層海流（表層流）的重要因素，海水密度差是制造超過千米以上更深處流動(dòng)的深層流的主動(dòng)力。

制造表層流的風(fēng)有兩種：一種是偏西風(fēng)，另一種是“信風(fēng)”。偏西風(fēng)是北半球與南半球各自緯度30°-50°一帶由西向東刮起的風(fēng)；而信風(fēng)則是從赤道到緯度30°附近由哈得萊環(huán)流產(chǎn)生的由東向西的風(fēng)。

此外，制造海流還有另一個(gè)重要的因素，那就是“地轉(zhuǎn)偏向力”，即在自轉(zhuǎn)的地球上，無論海流還是在北半球受到向右拐、在南半球受到向左拐的力。19世紀(jì)末，挪威探險(xiǎn)家南森乘坐非拉姆號(hào)船探險(xiǎn)北極時(shí)發(fā)現(xiàn)，不管刮什么風(fēng)，北極海的冰全都流向右方，現(xiàn)在知道這種現(xiàn)象就是由被稱之為“地球偏向力”產(chǎn)生的。

在北半球和南半球各自的海域，被偏西風(fēng)與信風(fēng)相互逆向的強(qiáng)風(fēng)硬拽的海水，在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下，又受到了陸地形狀的影響，從而形成像輪子循環(huán)似的“環(huán)流”。但是風(fēng)的直接影響達(dá)不到海的深處，所以千米以上深海的流動(dòng)與風(fēng)不同，是由海水的密度差產(chǎn)生的。

與海流相似的現(xiàn)象有“潮流”。但它是由海潮的漲落、一天改變兩次方向的流動(dòng)。如日本鳴門，就是在海水漲、退潮時(shí)以潮水渦漩發(fā)出轟鳴而聞名的。

順便說一下偏西風(fēng)和信風(fēng)的發(fā)生機(jī)制（圖1）。

覆蓋地球的大氣，因赤道上的暖空氣而膨脹，又因近極地的冷空氣而收縮，從而產(chǎn)生氣壓差，并由此產(chǎn)生朝向極地的“氣壓梯度力”。在它的作用下，空氣從赤道附近向兩極流動(dòng)，并又受到地轉(zhuǎn)偏向力所產(chǎn)生順時(shí)針方向的行星溫度的影響，使在北半球的風(fēng)向右拐。隨著兩者力的平衡，便引起了從西向東的偏西風(fēng)。

在赤道附近，溫暖的大氣上升，而在南半球與北半球30°的緯度一帶則下沉，形成深厚的副熱帶高壓帶。這樣，低空由副熱帶高壓帶吹向赤道地區(qū)的風(fēng)，在吹送過程中因受地轉(zhuǎn)偏向力的影響，引起從東向西的信風(fēng)。1735年，英國(guó)學(xué)者哈德萊首次提出用來解釋信風(fēng)的經(jīng)向環(huán)流，故又稱“哈德萊環(huán)流”。

但是，黑潮或墨西哥灣流那樣的巨大強(qiáng)海流都發(fā)生在海的西側(cè)，而海的東側(cè)沒有強(qiáng)流生成，這是為什么呢？實(shí)際上，這是海流引起所謂的“西岸強(qiáng)化”現(xiàn)象。通過西岸強(qiáng)化，地球上的海流哪一個(gè)都是在海的西側(cè)強(qiáng)（圖2）。簡(jiǎn)單地說，地球乃是一個(gè)“旋轉(zhuǎn)的球體”。

地球上的任何物體都在對(duì)著垂直地面的軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)隨著緯度的增加而加快。不過，只要停留在同一點(diǎn)就不會(huì)覺察到旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這是周圍物體皆做相同旋轉(zhuǎn)的緣故。但是，它在東側(cè)的部分海水漩渦環(huán)流南下，在西側(cè)的則北上。由于從北而來的海水比在南邊的海水更強(qiáng)地做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因而受到南下順時(shí)針旋轉(zhuǎn)海流的阻擋，起到了減弱海流的作用。與此相反，南方的海流隨著這個(gè)海流北上，即原來幾乎不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的海水進(jìn)入了做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的海水之中，從周圍的海水來看，相對(duì)地恰似做順時(shí)針的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，結(jié)果起到了加強(qiáng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)海流的作用。這樣，在海的西側(cè)海水流動(dòng)自然比在東側(cè)強(qiáng)。

黑潮繞太平洋三年回到故鄉(xiāng)

黑潮，又稱日本暖流，源于北赤道海流。在菲律賓群島東約北緯12°-13°附近海面，北赤道海流分成南北兩支，其中較大的北支沿呂宋島東岸向北流去，形成“黑潮”（因海水呈藍(lán)黑色故名）。

黑潮離開日本沿著北太平洋西部邊緣向東北流動(dòng)，延續(xù)為北太平洋暖流，它到北美附近時(shí)分成兩支：一支北上，被稱為“阿拉斯加暖流”，另一支沿北美南下，被稱為“加利福尼亞寒流”。它沿美國(guó)西海岸自北向南流，直抵北緯12°附近匯入北赤道海流。至此，黑潮隨著圍繞太平洋的環(huán)流經(jīng)過三年又回到故鄉(xiāng)。

在太平洋西南、赤道正下方的這個(gè)海域經(jīng)太陽(yáng)光照射，海水經(jīng)常是溫暖的。部分溫暖的海水蒸發(fā)，升到高空的水蒸汽變成積雨云，不久變成雨落到地上，在海與大氣之間進(jìn)行循環(huán)。

溫暖海水積存的地方有時(shí)擴(kuò)大到更東邊，被稱之為“厄爾尼諾現(xiàn)象”。引起厄爾尼諾現(xiàn)象的年份，在印度尼西亞等東南亞國(guó)家或澳大利亞會(huì)引起干旱；在南美秘魯?shù)纳衬貛t常有大雨；而在日本又能引起冷夏和暖冬等異常氣象。這就表明海流與氣候有密切的關(guān)系。

另一方面，深海流在太平洋從大約4000米深的深層，再經(jīng)過約1000年浮出到表層，與表層流合流。黑潮實(shí)際上就是在這個(gè)海域誕生來到日本近海的，并由此離開太平洋的環(huán)流穿過西里伯斯海，經(jīng)印度洋，走向遙遠(yuǎn)的大西洋。

終點(diǎn)與起點(diǎn)

北美大陸的東岸海上流過被稱之為“墨西哥灣流”的最強(qiáng)勁暖流，灣流寬約100千米、深1000千米，最大流速每秒1.5~2米，是可與北太平洋黑潮相比的巨大海流。由于大西洋受風(fēng)面積比太平洋窄，北來海流的強(qiáng)度比太平洋弱，因此，作為溫暖的灣流就比黑潮更容易北上。

另外，北大西洋包攬了地球上僅有兩個(gè)海水沉入深海的地點(diǎn)。在此沉入的海水像被拽著似的，灣流被拽到遙遠(yuǎn)的北邊，因此歐洲即使在高緯度也會(huì)構(gòu)成溫暖的氣候。

借助灣流北上的大西洋海水漸漸來到大西洋以北的挪威海。這一帶是表層的海水沉入大約4000米深層的地點(diǎn)之一。海水溫度越低，鹽分濃度越高越重，也就越容易沉入。而在日本以北的鄂霍茨克海，由于海水凍冰變成漂在海上的海水，又由于海冰不含鹽分，所以到夏天融化，則海洋表層的鹽分濃度降低，所以，不論冬夏都沒有沉到深海。但是在北大西洋的高緯度地區(qū)，來自鹽分濃度高的南邊的海流能夠北上到很遠(yuǎn)的北邊，所以被涼下來的海水便沉到深海。

沉入深海含很多鹽分的涼海水慢慢地?cái)U(kuò)展到整個(gè)地球的海底。其擴(kuò)展速度并不均衡，有時(shí)時(shí)速僅10米，甚至慢到觀察不到的程度。

如果沒有海流，地球?qū)⒆兂刹煌男行恰?/p>

在格陵蘭海面上沉入深海的海水變得非常緩慢地流動(dòng)，沿著美洲大陸像匍匐于海底那樣南下入大西洋。途中，部分水歷經(jīng)以千年為單位的漫長(zhǎng)時(shí)間才上升到表層，而那些上升不到表層繼續(xù)在深層潛行的深層流，從北大西洋歷經(jīng)數(shù)百年好不容易才來到另一個(gè)沉入點(diǎn)——南極沿岸的威德爾海。在此它與起始于威德爾海的深層水混合，并且一邊在南極周圍的海底順時(shí)針循環(huán)，一邊流入印度洋與太平洋。流入印度洋或太平洋的深層流一邊翻滾成大的圓，一邊用以千年為單位的長(zhǎng)時(shí)間上升到表層。

如果汲上深海的海水，進(jìn)行放射性碳同位素年代測(cè)定，則能夠測(cè)量深層水的年齡（沉入深層后的年數(shù)）。結(jié)果得出最年輕的是北大西洋的深層水，南極海的深層水是820歲，印度洋北部的深層水是1200歲，最年長(zhǎng)的北太平洋深層水是1670歲。

以日本近海為起點(diǎn)的海流，要?dú)v經(jīng)大約近2000年的時(shí)間，才能返回到出發(fā)點(diǎn)。海流環(huán)繞地球之旅真可謂是神志不清的漫長(zhǎng)之旅。

海流的循環(huán)帶來穩(wěn)定的氣候

北緯68°的挪威羅弗敦群島的海，雖處在北極圈，但即使冬天也不結(jié)冰，這是因?yàn)闇嘏臑沉魍ㄟ^在格陵蘭海面沉入深層流后被拽到北方，所以盡管處在高緯度仍保持了溫暖的氣候。

在格陵蘭海面沉入的海水在南極再次被冷卻，流入印度洋、太平洋，然后上升回到表層的世界海洋循環(huán)，被比喻為很好的“傳送帶”。最近研究結(jié)果表明，如果這個(gè)傳送帶起不到好的作用，它會(huì)給地球的氣候帶來非常大的影響。

大約13000年前，在僅數(shù)十年間平均氣溫降低了5℃~7℃，原因就與海的傳送帶有密切關(guān)系。那時(shí)，在美洲大陸北部巨大的湖發(fā)生了大規(guī)模的洪水，大量的淡水流入北大西洋，使海水的鹽分濃度降低，無法獲得沉入深層的充分重量。為此傳送帶突然幾乎停止，北大西洋的表層被冰覆蓋，從南邊運(yùn)來溫暖海水的灣流也不能北上，北大西洋周邊急劇變冷。

另外，最近的研究結(jié)果表明，這個(gè)傳送帶的方向并不總是恒定的，在漫長(zhǎng)的地球歷史中，好像也有反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。大約18000年前，深層的循環(huán)好像是從北太平洋出發(fā)的。

如果將地球當(dāng)成為一個(gè)生命體的話，海流猶如身體中循環(huán)的血流。一方面海流會(huì)對(duì)氣候或生態(tài)系統(tǒng)等產(chǎn)生各種影響；另一方面，整個(gè)地球的氣候通過海流奇跡般地保持平衡。

海流與氣候的密切關(guān)系，大致上是從極地區(qū)向赤道區(qū)流動(dòng)寒流，從赤道區(qū)向極地區(qū)流動(dòng)暖流。由于海流具有不易變溫的性質(zhì)，通過海流的循環(huán)，讓整個(gè)地球的氣溫趨于均勻。假使沒有海流，則赤道比現(xiàn)在還要熱，極地比現(xiàn)在還要冷。

由于海流的作用，即使在緯度相同的地方，氣候也會(huì)有很大的變化。在靠近赤道的亞熱帶，被溫暖的灣流沿著美洲東海岸北上，在歐洲沿岸延續(xù)為“北大西洋暖流”。不久好不容易才來到北極圈的挪威沿岸。由此挪威成為在北極圈唯一還有意想不到溫暖氣候的國(guó)度，即使在冬天海水也不結(jié)冰。北緯60°以北不結(jié)冰的海域只有挪威的海面。

另外，蘇格蘭的因弗維盡管在北緯58°，屋外仍存在亞熱帶植物園，縱然在寒冷的冬天還盛開著亞熱帶的花。而太平洋側(cè)的北緯58°，大致上處于相同緯度的勘察加半島北端卻是亞寒帶氣候。兩者的氣候真可謂是天壤之別。

由此可知，為什么北大西洋海流給歐洲沿岸帶來了溫暖氣候。