书城科普读物海洋知识小百科-水文篇
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第10章 海洋的自然神韵(6)

海浪到了近海和岸边不仅会冲击摧毁沿海的堤岸、海塘、码头和各类建筑物,还会伴随风暴潮,沉损船只,席卷人畜和水产养殖场所。海浪所带来的泥沙还会使海港和航道淤塞。历史上曾经有过许多这样的记载,在法国的契波格海港,一块3吨半重的构件,在海浪冲击下,像掷铅球似的被从一座6米高的墙外扔到了墙内。在荷兰首都阿姆斯特丹防波堤上,一块20吨重的混凝土块,被海浪从海里举到了7米多高的防波堤上。在苏格兰的威克地方,一个巨浪竟然把重约1370吨的庞然大物移动了15米之远。西班牙巴里布市附近的海边,有一块大约1700吨重的岩石,在1894年的一次狂风巨浪之后,海浪使这块岩石翻了个身。还有,巨浪冲击海岸所激起的浪花也很厉害,常常会高达六七十米,而且具有破坏力。斯里兰卡海岸上一个60米高处的灯塔就曾被海浪打碎过。而地处欧洲的设德兰岛,它的北岸灯塔的窗户位于海面以上100米,都被浪花举起的石头打得粉碎。1989年,在我国的珠江口至湛江沿岸曾受到了8米~10米的海浪袭击,致使沿岸海堤受到严重破坏。

尽管海浪的威力如此之大,但科学家已经研究出了许多对付它的办法,只要及早做好防范,海浪的“威风”也会随之扫地的。

海平面到底是不是平的呢?

在日常观测中,人们习惯以海平面为基准来测量陆地上物体的高度。那么,海平面是平的吗?其实,海平面并不是平的。海平面也有高低与起伏。当卫星遥感技术应用于海洋之后,人们惊奇地发现,海平面其实也和陆地一样,有着不小的起伏,只是这种起伏范围在数千千米站在陆地上的人们是很难凭肉眼分辨的,只有借助于卫星精密测量仪器的测量,才能准确地测得海洋表面起伏的变化情况。迄今已查明,世界各大洋的海面存在有三个较大的隆起区。在澳大利亚东北的太平洋海域,它的最高点比平均海面高出76厘米;北大西洋海域,高出平均海面68厘米;非洲东南的印度洋海域,高出平均海面40厘米。另外还存在有三个较大凹陷区,其中凹陷最深的是印度半岛南面的鳊洋,它的最低点低于平均海面112厘米;其次是加勒比海海域,它的最低点比平均海面下凹了68厘米;第三个是位于美国加利福尼亚以西的太平洋,它的凹陷深度为56厘米。

海水是流动的,那为什么会出现凹凸不平的面呢?原来,海水起伏的原因是地球各处的重力场不同,海水受力也不同。从而引起了海面的凹陷与隆起。再就是由干地球表面的环境因素,如温度、气压、风力等,使海水密度、海面压力等不同,从而影响海平面。在地球上,同一物体在不同地点受到的引力是不同的。一般地说,离地心越远,重力越小。静止液体的表面,应当处于重力垂直,也就是处于“等重力位面”。否则,在重力差的作用下,液体就要流动,直到表面各质点重力相等为止。另外,气温、气压对海平面也有影响。在通常情况下,气温高时,海水的密度相对较小;反之,其密度就相对大些。当海水密度值比较大时,海水就处于下沉状态。同样,某一海域在大气压的作用下,海面也会产生下凹.把海水挤到那些密度小、气压作用较弱的地方去,使那儿的海面向上隆起。

为什么海平面会上升呢?

大家已经知道海洋里的水受各种因素的影响,时刻都在变化着,其直接的表现就是海平面的变化。据许多学者的研究和计算,近100年来海平面上升值约为10厘米~20厘米。对未来100年海平面的上升值,科学家们各自的估计值相差很大。一般认为,到2100年,海平面上升可能在0.3米~1.0米。海平面的上升会给人类带来相当大的灾难。如果海平面每年上升3毫米,整个海洋一年中增加的海水量就有1083亿吨。那么,究竟什么原因使海平面上升如此之快呢?除了地壳运动外,气候变暖是海平面上升的主要原因。近几年的海平面上升,从全球范围来讲,普遍地认为是由于世界性气候变暖的原因造成的。也就是说,“温室效应”是海平面上升的元凶。由于“温室效应”的原因,世界性气温升高已成事实,气温升高后首先海水会受热膨胀,因为海水量巨大,它膨胀必然引起海平面的一定变化。再就是由于气温的升高,地球上的冰川渐渐地融化。从近年来的报道可以知道,大陆冰盖边缘有的已经开始溃滑,高山的冰川也在退缩,特别是南极冰山也在缩小,这样,就会有巨量的冰化为水进入海洋,导致海平面上升。另外,厄尔尼诺现象也促使部分海域海水温度升高,这对海平面上升也会带来影响。

海平面上升带来的危害使人们感到恐惧,促使人们努力去掌握海平面上升的规律及原因,以便有可能控制海平面的上升。海平面上升的罪魁祸首是“温室效应”,人们首先应该在减缓气候变暖方面下些功夫,减少大气层中二氧化碳的含量。同时要掌握海面上升变化的情况,在沿海多建一些潮汐观测站,以便于收集和积累更多的资料,研究出更为先进准确的预报方法,做好早期预报。另外,也不可以忽视地壳变化对海平面变化的影响。只要人类团结一致去对付这个新的挑战,就一定能达到目标,尽管实现这个目标是十分艰巨的任务。

怎样区分风浪和涌浪呢?

人们常常听到风浪和涌浪两个名词,它们有何区别呢?风浪和涌浪的区别主要在于:“风浪”是尚处于波浪形成区的那些波浪;而从风作用区涌出的和已开始衰减的相对长波则被称作涌浪。海洋学家通常用“衰减”这一术语,来表示由风浪变成涌浪的过程。风浪波峰尖削,在海面分布不规则,波锋短,周期短,风大时波峰常常破碎,出现白色浪花。涌浪波面比较平滑,波峰大,周期、波长也较长,在海面上传播比较规则。在海面上,风浪和涌浪会单独存在,也往往同时存在,其传播方向也会不同。涌浪不像风浪那样复杂多变,波面比较平滑,波峰宽度和波长都较大,波形接近于摆线。涌浪在传播过程中的显著特点是:波高逐渐降低,波长、周期逐渐变大。涌浪的波长要比它的波高大40倍~100倍,非常低的涌浪(先行涌),其波长可能超过波高的1000倍以上,这种涌浪在海上是难以发觉的,而仅在靠近海岸的地方才能觉察出来。由于波长越长的浪传播速度越快,它往往比海上风暴系统移动得快。在特里斯坦达库尼亚群岛的强烈西风区产生的涌浪,每昼夜能传播1852千米,经2天~3天就可以到达几内亚海岸。在太平洋,从南极风暴区传来的涌浪竟可以到达1000千米以外的阿拉斯加海岸。

波浪对海上航行产生破坏性影响时是怎样的呢?

对海上航行的舰船来讲,最危险的是舰船的剧烈摇晃,这种剧烈摇晃会使舰船产生过度倾斜和颠簸,甚至造成破损或断裂。这种摇晃主要是由陡峭的波浪引起的。这种陡峭的波浪通常发生在风暴的初始阶段。相对而言,小型舰艇有时比大型舰艇更能经受住风暴的袭击。因为小型舰艇一般能爬上一个波浪的斜坡,而从另一面斜坡滑下。大型舰船则不能,因为它的船身较长,一旦它的中心位于波谷和波峰,在特别巨大的应力作用下,有时就会使舰船折成两段。

波浪对海岸工程和航运的影响是怎样的?

波浪除了对海中航行的船有破坏力外,对海岸的工程设施也有巨大的破坏力,因此在进行海岸工程设计时,首先要考虑波浪要素,根据波浪的冲击力来设计海岸工程的强度。如海港防波堤的设计,除应考虑泥沙阻碍以及潮差等条件外,最重要的一点是防止波浪的冲击,以保障船只在港内的安全。海浪的破坏力是惊人的:拍岸浪对海岸的压力可达到30吨/平方米~50吨/平方米。在一次大风暴中,巨浪曾把1370吨重的混凝土柱移动了10米:20吨重的重物也被它从4米深的海底抛到了岸上。巨浪冲击海岸时能激起几十米高的水柱,因此建筑海港时必须考虑海浪的作用力。通常海滩的坡度、波浪与海岸的交角、波浪开始破碎时的水深等,均与破碎激浪的高度有关,水工建筑物造价昂贵,如在海深8米处建造能防御5米波高的防波堤,每1米就需1万元,防波堤高度的设计若过高,则会浪费工程费用;过低,则不足以产生防波的作用。不仅如此,防波堤的堤度与形状的设计,若能适应波浪形成的趋势,也可以减低激起波浪的高度。所以说,海浪与海岸工程设计关系密切。

很早以前,也就是人们对海洋学未作应用研究以前,在大洋上航行的船只均采用大圈航行法,即在地球球面上,采用最短的距离航行。在发现大洋中的海流分布后,采用了顺应海流的航路。自1957年起,美国已开始试验一种顺浪航行法,即视海洋中天气与波浪的情形,随时改变方向,使船只保持顺浪前进。据悉,从东京到旧金山,原为18天的航程,若采用顺浪航行法,可节省36小时。因此,航海者若能熟悉气象与波浪的情形,可获益匪浅。海浪还可引起船身的共振,严重威胁生命财产的安全。历史上曾有一只俄国船行至东海时,由于船身的共振,船长被摔死了。海浪对航运有其好的一面,也有其不利一面,只要按照科学规律办事,海浪会对我们人类带来很多益处。

海洋的变化对海洋军事方面有什么影响?

海浪对海军作战行动的影响很大,它可使舰艇颠簸、摇摆,并引起舰体各部分应力发生变化,还会影响武器的使用效果呢。如果舰艇摇摆超过一定限度,就会造成舰艇的倾覆。对于停泊在港湾、锚地的舰艇,有时也会因海浪太大而使系船索和锚链崩断,造成碰撞事故。舰艇在大浪中航行时,为了预防主机因推进器离开水面负荷急剧改变,需要不断变换主机转数,这又使舰艇航速不得不降低。海浪还能使水雷脱离锚链,从而降低雷区触雷概率。另外,大浪和拍岸波还会严重影响登陆作战。因此,在选定登陆点和登陆时机时,上述因素往往是必须考虑的。

在军事行动上,拍岸浪对海军登陆行动影响甚大,被称为登陆作战中的危险海浪。它既影响舰艇靠滩和退滩,也影响舰艇卸载和人员上陆,对两栖车辆航行上陆也有严重影响。拍岸浪对海岸的压力有时可大到每平方米20吨。这样大的拍岸浪,不仅会造成登陆舰艇和两栖车辆难以抵滩,甚至有可能将其摧毁。一般地说,在拍岸浪高于1.3米以上时,该海岸就不宜实施登陆作战了,必要时只有大型登陆舰尚可冒险抵滩;在拍岸浪高于1.5米以上的海岸,军事上是绝对禁止实施登陆作战的。

海滩坡度主要对海军登陆作战影响较大。如海滩坡度大,登陆舰艇抵滩后,登陆官兵上陆涉水距离就小;但坡度过大,又不利于登陆舰艇卸载,因为舰艇抵滩时,船底与海滩的接触面小,很容易受到风、流、浪等水文条件的影响,使舰艇的稳定性变差。另外,海滩坡度过小,又会增大登陆官兵上陆涉水距离;同时,登陆舰艇船底与海滩接触面过大,也容易搁浅和造成退滩困难。然而,海滩坡度小又有利于气垫艇和两栖车辆上陆。因此,海滩坡度大小,是登陆作战指挥员必须考虑的因素之一。

除了海中流、浪、潮以外,就连海滩底质对海军登陆作战也具有重要意义。海滩底质通常分为以下三种类型:一是沙泥底、沙底和硬泥底。这类滩底的特点是表面均匀平滑,能承受较大的压力,不易损伤舰体,有利于登陆官兵和武器装备迅速上陆,但沙底易形成沙埂,给登陆舰艇抵滩造成一定困难。二是沙砾底、圆砾底、平坦的岩石底。这类海滩的特点是底质坚硬,登陆舰艇抵滩时必须慢速接近,否则容易碰撞和搁浅。另外,岩石底无锚抓力,登陆舰艇抵滩后稳定性差,不利于重武器卸载。三是泥底、礁脉乱石底、珊瑚底等。这类海滩通常不利于登陆作战,因为泥底承载力差,易于下陷,直接影响登陆舰艇抵滩。礁脉乱石和珊瑚底则对舰艇停靠有一定危险,登陆官兵和武器装备均难以上陆。

“内波”是怎么回事?

海洋里有浪、潮、流的自然现象存在,那怎么还有“内波”呢?实际上,“内波”是海洋中的一种波动现象,从字面上看,内波就是发生在水里的波动。“内波”的产生,应具备两个条件,一是海水密度稳定分层,二是要有扰动的能源,两者缺一不可。正如海面与空气之间密度不一样,加上风力的扰动作用,就会出现海面上的狂涛巨浪一样。而在深层当海水因温度、盐度的变化,出现密度分层后,经大气压力变化,地震影响以及船舶运动等外力扰动,就可能在海水内部引发起一种新的波动——内波。

内波与海面波浪虽然都是液体波动,但它们却又各不相同。原来,内波与波浪形成的界面不同,波浪的特点在海表面可反映出来,而内波是在海表层以下出现。波浪的形成与风有关,因此在海面形成的波浪,它的波动最大值在海面,随着深度增加而减少,到达一定深度就消失了。而内波则是由于当海水密度上下分布不均匀时,尤其是出现跃层,也就是两层海水的相对密度值大于0.1%时,就会在外力扰动下,在两层海水界面上产生。

那么,内波不产生在海表层,它也有波高吗?告诉你吧,内波的波高很大,一般情况下,它比海面波高要大得多,大的可达几百米呢;内波的波长一般有几百米,甚至在万米以上。这主要是由于海水密度和空气密度的差异不同引起的。因为在同样的外力作用下,使海水内部产生的波动,要比海面上大很多。这种现象就犹如在水中抬起重物,要比从海面抬到空气中省力很多一样。

我们已经知道海浪的破坏力是很大的,那么,内波有多大的破坏力呢?可以这样说,内波的破坏力比海浪的破坏力要大多了。内波虽不像海面波浪那样汹涌澎湃,但它隐匿水中,暗中作祟,常使人们防范不及,故有“水下魔鬼”之称。

内波的破坏力,主要是在产生内波的跃层上下,会形成两支流向正相反的内波流。这种内波流速每秒可高达1.5米,犹如剪刀一般,破坏力极大。加拿大戴维斯海峡深水区的一座石油钻探平台,就曾遭受内波袭击而不得不中断作业。为此,美国英特俄辛公司还为其安装了内波预警系统,以保障它安全作业。内波峰高谷深,垂直作用也很大。1963年4月10日,美国“长尾鲨”号核潜艇,在大西洋距波士顿港口350千米处突然沉没,艇上129人无一生还,事后经过对沉入海底、变成碎片的残核分析判断,下沉的原因就是潜艇在水中航行时,遇到了强烈的内波,将它拖拽至海底,潜艇因承受不了超极限的压力而破碎,这就是强大内波垂直力作用的后果。

孤立波是怎样的呢?