书城科普读物破译奥秘大世界丛书:破译神奇海洋之谜
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第9章 运动中的海洋(3)

冲浪带是一个极不利于进行考察研究的区域,无论是人还是实验仪器在这里都容易受到侵蚀和伤害。因此,我们对这一区域波浪动力学以及沉积物运动的研究很有限。到了今天,随着更小巧更抗腐蚀性的仪器以及大型计算机系统的出现,人们可以获取更多关于海浪和海岸形成的信息。

海啸

自从海洋在地球上诞生的那一天起,滔滔不绝的海水就不断地倾泻而至,冲刷着海岸。人们熟知的海洋地震波,又称海啸,在日语的意思是“巨大的海港波”,这种巨大的海浪使人们脑中出现了这样一些景象:水手和鲨鱼都上了树梢,远洋客轮搁浅在山峰顶上。1883年在印尼,被认为是死火山的卡拉卡托火山的一次爆发产生了巨大的海啸,其中一个浪高达到41米(133英尺),速度达1130公里/小时(700mph)。海啸卷袭了爪哇和苏门答腊海岸,摧毁了165个村庄,导致了36,000人死亡。一艘名为Berouw的炮艇被掀起,向陆地方向移动2英里后坠落。建筑物被粉碎,树木剥落得如火柴梗,整个城镇被掀起。历史上,海啸曾经在日本、阿拉斯加、智利、希腊、印尼、夏威夷和俄罗斯引起过海难。美国圣女岛和圣托马斯的加勒比海岛,分别在1837年和1867年遭到了海啸袭击。最新的地质资料表明,1700年左右太平洋西北部曾遭到大规模的海啸袭击。1998年,一次高度超过15米(49英尺)的海啸袭击了巴布亚新几内亚北部海岸,横扫整个村庄,导致了几千人的伤亡。毫无疑问,将来海啸还会发生。我们最好的预防海啸及其潜在危害的方法就是提醒沿岸居民警惕面临的危险和灾难。为达到这一目的,我们需要了解海啸的形成,运动以及到达海岸后的行为。

海啸可由地震、海底滑坡、小行星影响或者火山爆发引起。一旦产生,它们以一系列低而快速的海浪传播,高度通常为1米,速度约为800~960公里/时(500~600mph)。对大海而言,这些咆哮的海水不过是温和的小兽,人眼几乎无法觉察。船只在一次致命的海啸经过其底部时甚至会毫无觉察,危险在于海岸地带。

设想一下风吹过茶杯液体表面的情形,此时会形成细小的波纹。如果你晃动茶杯,较大的波纹会来回翻滚。同样,自然界中溅起的水波称为湖震,在大地震后的湖面或水库中可以见到。海啸通常以相似的形式产生,即由于剧烈震动和海底的形变产生。

在由风产生的波浪中,水的运动随深度减弱(离风的距离变远)。在深度约为波长一半处,水的速度减小96%。由于能量是随着水的运动传播,因此,在这种由风引起的水波的运动中,大部分的能量集中在表面。即使是较大的波浪,在表面以下的水中传播的能量也是很小的。而在海啸中,产生的能量导致整个水团运动,其运动速度不随深度发生明显的变化,而且尽管海水表面波的高度并不高,至多只有几米,其包含的能量却是巨大的。此外,波浪能量减小的速度与波长成反比。海啸的波长很长,能量极大,输送很远的距离其能量损失也很小,这也就是它能对海岸造成灾难性后果的原因。

像其他到达海岸的波浪一样,海啸进入浅水区后开始触海底,变慢,堆积,最后破碎,山一样地倾泻而下。海啸到来之前,通常是一个主要的压缩波导致海平面显著降低,因为大量的水被吸入到不断增长的水墙中。在传说里,冒险捕鱼的人们面对海水巨大的回退束手无策,因为顷刻间海啸到来,他们就会葬身大海。有文献记载的最大的一次海啸发生在1971年日本的琉球群岛,其浪尖超出海平面达85米(267英尺)。海啸的规模强度取决于当地地形、海岸线形状以及其运动方向。一次地震在某处只引起微波,而在其他地方可能产生海啸。海啸通常发生在太平洋海域,因为那里地震和火山活动频繁。

为防止海啸带来灾难性的后果,科学家和各界人士正试图在太平洋建立一套有效的海啸预报系统。现有的预报系统包括海底一系列的地震检波器和固定的潮位仪站。它们持续地报道地震活动及海底运动信息,潮位站则监测海平面的变化。一种新型的即将被添加到该系统的仪器正在研制和测试中,这种置于海底的仪器能检测波浪经过时压力的变化(当波经过时,浪峰以下表层压力增大,浪谷以下的压力减小)。检波器对可能产生海啸的因素进行检测,底部的压力测定仪则用来实时监测海啸的发生。如果某一可能促成海啸的事件发生,或者有海啸被检测到,遍布全世界的海啸预报系统都会得到信息,包括其预计登陆点、可能受到威胁的区域等。

在最近的巴布亚新几内亚事件中,预报系统的作用甚微。地震发生地离海岸如此近,以至随后的几分钟内,海啸已经到来。研究者现在已经知道,是一艘潜艇的崩溃而并非地震本身引发了这场毁灭性的巨浪,这种类型的海啸比人们以前想像的要常见得多,其特征也极其明显。为防止类似1998年的事件的发生,研究人员正利用复杂的计算机模型及相关的数据资料对海啸发生的过程和原因进行进一步的研究。

漫波

在海上航行的海军们会遇到令人吃惊的巨波,有的高度能达到30米。在毫无预防的情况下,这样的巨浪可以击沉或者严重毁坏任何一个航行器。这样的海浪称之为漫波,是由于几个独立的波浪联合形成一个超常的巨波而产生的。幸运的是,这种波不经常发生。

在海洋内部不同的密度层之间也可以产生波浪,这些称之为内波。内波在珊瑚礁和陆架边缘的破碎现在被认为在近岸水混合、上升流及海岸线的形成中起着重要的作用,尽管目前人们对此还知之甚少。

潮汐的节律

多少个世纪以来,人们就注意到了大海的潮涨潮落。在有些地方,海平面每天变化一次,有的是两次。一天之内水面的变化可能是几厘米或者超过10米。在由开阔的海面进入狭窄海湾的类似于烟囱状的海岸,其海平面的变化最大。新斯科舍州(加拿大)的范迪海湾就是一个例子,其潮水可达13米(43英尺)高。船只在高潮时安然地浮起,在低潮时则搁浅。潮汐也可以引起快速移动的波浪。在亚马孙河,由于潮汐、狭窄的海岸线以及深度的变化的联合作用,可以产生高达5米的大浪,向上游推进的速度达到20公里/小时(12mph)。在中国北部,也有类似的潮波经过,其速度可达25公里/小时,高度可达8米。

潮汐对海洋生物也起着重要的作用。海岸带动植物的分布通常由潮汐控制,其他海洋生物的生殖繁衍也以潮汐为基础。在春夏季的加州海岸,一种名为银汉鱼的小鱼开始出现并产卵。在潮水最高时,银汉鱼被搬运到海滩,在潮水退去之前的很短的时间内完成产卵、孵化、掩埋等一系列过程。成年的鱼被搬运回到大海,而鱼卵则保留在温暖的泥沙里孵化,等待下一个大潮的来临。在五六月的东海岸,鲎以同样的方式生息繁衍着。

很早,人们开始寻求对潮汐有节律变化的解释。有人说是天使的脚在海里抬起或放下产生了潮汐。另一个早先的解释是潮汐反映了一只大鲸的呼吸循环过程,吸气是潮落,呼气时潮涨。而第一次对这种现象进行较为科学解释的是牛顿和他的万有引力理论。

牛顿的理论认为,宇宙万物之间都存在相互吸引的力,这种力与物体的质量成正比,而与它们之间距离的平方成反比。换句话说,任何物体相互之间都有引力,物体质量越大,引力越大,相距越远,引力越小。月亮和太阳都对地球施加引力。由于水并非紧密结合在地球上,这种引力就产生了一种向外拉的趋势,并由此产生很长的水波,这就是潮汐。另一种向外的力是由于月亮和地球绕着某一公共点旋转而产生。地球比月亮大,公共点更靠近地球,类似与一个成年人和一个孩子分别站在跷跷板上,为了平衡,成人必须坐在更靠近中心的地方。维持地球和月亮运动的这种力指向内,称之为向心力。为了更清楚地了解其作用情况,我们需要考虑作用在相反方向的另一种力,称之为离心力,它使运动物体产生向外逃离的趋势。地球上地任何一点都受到来自地月系统中心的离心力作用。正是这两种力,万有引力和离心力,产生了地球上的潮汐。

地球表面靠近月球的点比远离月球的点受到的引力更大,而离心力在各处是一样的,不同点受到不同的净作用力产生了潮汐。如果地球不转动且完全被水覆盖的话,它将会呈现椭圆形,与月球的轴线平行。在此基础上我们考虑到地球的自转,则地球上几乎任何一点都会经历两次高潮和两次低潮,一天两次轮回。但是月球并不完全与地球赤道呈平行排列,而是有一个交角,所以这个椭圆稍有倾斜。现在我们就可以理解为什么有的地方是半日潮有的地方是日潮。

在某一特定的地方,每天潮汐发生的时间依次后推一小时。月球绕地球一周需29.5天,因而相对地球而言月球更向东移一点。地球在公转时,必须略微超过它原来的起点才能与月球公转保持一致。这就是潮汐每天滞后一小时的缘故。

太阳也能引起地球上的潮汐现象,虽然太阳比月亮大得多,但它距地球比月亮距地球远400倍。由于其距离遥远,太阳潮汐平均起来不及月亮潮汐的一半。但是当太阳和月亮在满月呈一条直线时,其引力相结合就会产生最大的潮汐,即大潮。当月亮和地球呈垂直的角度时产生最小潮。大潮和小潮的交替每两周发生一次,和月球的自转同步。其他影响潮汐的因素很多,主要包括地球相对其本身轴线的倾斜,行星之间运动时距离的变化等。

当然,我们必须回到真实的行星上来,地形、海洋深度的变化以及海岸线形状都会对潮汐产生影响。所有这些因素使潮汐在不同时间不同地点呈现不同的变化。由于潮汐地作用类似于长波穿过水面,科氏力又会对其产生作用,所以潮汐在大洋盆地的运动实际是一种环流,在北半球向右偏,南半球向左偏。现在的计算机模型通过将月亮、太阳的引力、科氏力、海底盆地地形、深度及基底线的测量等因素结合起来,可以准确地预报世界各地潮汐发生的时间和潮高。

潮汐在潮涨潮落时也能产生潮流。潮流是潮涨和潮落之间的过渡带,在高潮和低潮时这种潮流很微弱。潮水进入海湾或河口时,其冲击力通常胜过洪水。涨潮时大量的水通过狭窄的人口进入海湾,落潮时又一次涌向海,产生强烈的水流。向海的潮流的速度能够因为河流的加入而得到加强。此外,如果在大潮或高潮期有大的海浪袭击过沿岸,洪水泛滥及海岸的侵蚀将尤为严重。

飓风

在古希腊神圣的寺庙中,人们向海神尼普顿祈求平静的海和光滑的水面。海神用他的三齿鱼叉中的一股波浪,可以使海平静,也可抽打它使之成为狂怒的暴风雨。今天,我们指望科学来解释海洋的狂怒举止,指望计算机模型以及天气预报能预测它。破坏力最强的风暴之一的飓风,曾经被认为是海神发怒的最有力的证据,正是气候和海洋之间相互作用的产物。过去的几十年,海洋学和气象学的发展,已经让我们能很好地了解到飓风是在何时何地怎样形成的。

当风速超过每小时120公里(74mph)时,风暴则形成了飓风、台风或者是旋风。飓风一词来自于:Hunraken,玛雅族的风神,被用于描绘发生在大西洋和东太平洋靠近加利福尼亚和墨西哥海岸的暴风雨。在澳大利亚北部及印度洋,海洋中相同的旋涡式的暴风雨被称作龙卷风,来自于西腊语kykloma,意思是“盘绕的蛇”。在太平洋西北部,它们被称作台风,来自于中国短语daaih—lung,意思是

“大风”。尽管他们有不同的名字且发生在不同的地方,但是这些暴风雨都是在同一源头——海洋产生的。

只有当适当的条件存在时狂暴而强大的飓风才会产生。基本前提是温暖的水(至少26℃/79°F)、地球的风场的干扰以及导致风螺旋式前进的动力(科氏力)。最温暖的大洋水出现在赤道的热带区。然而,因为赤道地区的科氏力可以忽略,所以此处不会形成飓风。但在赤道以南和以北的地区,条件是成熟的,尤其在炎热的夏天期间,因此飓风倾向于夏季在地球的这两个地带形成,一是在北纬4~30°,另一个是在南纬4~30°。三十度风暴可能也会在边界形成,但通常其发源地是中间一条窄窄的区域。通常形成飓风的一种典型的风扰动是东部信风的大气波。

在大西洋的飓风季节内(6—9月),每3~4天,信风中出现一次东向信风。当风从非洲吹到美洲时,海面附近的空气汇集成低压区,升高,在大气中形成了一个峰。东向波有时会毫无危害地移到北部,但是如果在峰下面有大量的温暖海域和温暖潮湿的空气,东向波可能会形成不断升高的狂暴。在下面的温暖海水至少有60米深;否则风造成的混合作用将把冷水带到表面,从不断增长的暴风雨中吸收热量和能量。

如果条件正好,海洋上温暖的空气将上升并携带下部朝气进入不断加强的风暴中。随着空气上升,来自底部的空气被不断吸入,表面风开始向东向波产生的低压区汇集。由于无处可去,汇集的空气上升,从热的海面上吸收更多的潮气。在更高的空中,上升的潮气及温暖的空气冷却浓缩,产生厚重的云和大量雷雨。云的形成释放了巨大的能量,导致上升空气的密度降低,上升得更高。在海面,更多的空气被吸收,进入一个不断增长的上升云柱,从而使海面上气压降得更低。在海面汇集上升的风,开始围绕中央低压旋转并且形成暴风雨的中心。

在风暴中心,风几乎是垂直的,因而它表面上看起来一片沉静。但是在其外围——风墙区域风旋转极快。在北半球,风围着低压逆时针旋转(风向向下并向右偏转);在南半球,它们顺时针旋转:在温暖潮湿的海面上,旋风速度加快,导致更多的水蒸发。汇集的风携带大量湿气旋转越来越快,在不断增长的风暴中上升。再向上,更多的雷雨产生导致下层更多的空气被吸收。只要下面的温暖海水能不断提供水蒸气,风暴就能达到飓风的强度并且继续增长。如果上层大气中存在剪切风,一就能破坏正在积累的风暴;或者正在逼近的前锋可以引导较凉的海面上的风暴。但是,如果条件适当,且没有以上两种情况,飓风就可以形成,加强,张牙舞爪地向陆地移动。