《大自然寻真》

第六篇  揭示海洋环流的秘密

第20章  海流原动力的新探讨[17] -1

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20.1  海流不可能由定向风的推动所生成

    目前普遍认为：“洋流按成因不同，可以分为风海流、密度流和补偿流等类型”；“形成洋流的主要因素是稳定的定向风，其次是海水密度的差异及海水的补偿作用等”（百草园地理博客）。看来，因海风的推动而形成海流是最主要的观点，我们在此却认为这是应该基本上被否定的观点。

    无疑的，海风可以吹动海面产生波浪，但要吹动海水产生如此强大的海流（即洋流）是不可能的。海风很容易就激起了海浪，可能这就给人造成了错觉，以为海流也是海风形成的。须知海浪和海流是绝然不同的两回事，它们能量的表现形式也完全不同。海浪仅仅是海水表面不断重复的垂直涨落现象，海流则是各层海水的水平方向流动，所含能量的量级是无法相比的。大气这种水平移动的风，所含动能可以比海浪更大，但与海流的动能就无法相比了。虽然风和海流都是水平方向的流动，但大气的风是无法形成海流的。一方面，全球海水的总质量会是全球大气总质量的很多倍，海流的总能量也会是大气运动总能量的很多倍，应该都不是同量级的。很难想象，一个量级小的能量会产生出一个量级大的能量来。另方面，再从环流的位置上看，海水环流中心的地理位置相对稳定，出版社出版的地图都可以将它们画进去。然而，大气环流中心的位置就很不稳定了，可以说是一天一个样，历史上几乎无法找到两天完全一样的大气环流形势。例如，北半球的副热带高压环流时强时弱，忽东忽西，到冬天甚至就完全不见了（参见彩图23.3-1、23.3-2）；以北纬30度，西经160度，或者北纬30度，西经40度为中心的顺时针海洋大漩涡的位置却常年少动。既然大气运动能量相对于海流能量要小得多，大气环流中心又飘忽不定，所以海风对海流的形成当然就无法起到多大作用的了。

20.2  产生海流的根本原因

       海流是海水相对稳定的大规模流动，总能量相当大，整个大洋的海水都在稳定地做着大幅度地旋转（参见彩图20.7），它的生成必有其根本的原因，相信只有从其系统的内部去寻找才能找到。根本原因必定是内因，这种哲学道理是不管社会科学还是自然科学都适用的绝对真理。

       在16.5已经讲过，“地球自转与地下热能相配合在一起，是大气运动（当然还有海流和地下环流）的原动力”，这正是我们所认为的产生海流的根本力量。这种力是怎样对于海水起作用的呢？简单地说，也与液态天体的熔液环流相类似，两极附近的海水会因地球自转而下沉，然后顺着海底向赤道截面方向流去，到了低纬度地带就会上涌到海面。而且，流到低纬度海底来的海水会得到地热的能量补充而特别加快地上涌到海面来。这样一来，就使整个海平面形成了一个两极附近向内收缩而赤道附近向外突起的扁圆球形状。运动的惯性和海水的连续性又使海水的流动永远停止不下来，于是在科里奥利力的配合下就变成了复杂而永不休止的循环流动，即全球相对稳定的海流了。显然，地球自转形成了海流原始的基本面貌，而地下热能的长期配合作用又使海流的原始基本面貌永久地维持到了现在。所以我们说，地球自转与地下热能相配合在一起，是海流的原动力。

    其实，不论自转星球体内液体的流动，还是地球的海流或者大气环流，虽然运动都很复杂，但都类似于时钟的运动，其终局运动都是简谐振动。时钟齿轮组的复杂运动的目标是使钟摆移向平衡位置，即不摆动时停留的位置，但是由于运动惯性，总是停不下来而只能围绕着目标左右摇摆，不停地做着简谐振动。自转液态星球内部流体的流动（或海流，或大气环流）虽然比起时钟齿轮组的运动复杂得多，但它们的终局目标也只是促成星球（或海洋，或大气）表面形成理想标准的扁圆球体形状的简单的逼近运动。时钟由“法条”或电池提供能量，星球（或海洋，或大气）却由自转和球内热源提供能量。两者都是依靠着远离平衡态的系统内部的能量供给，在非线性机制作用下以无序的平衡态为目标，按照自组织规律不停进行自我调整而做着有序运动的、对立统一的耗散结构。

       当然，我们并不否认，一年四季中太阳对地球的强辐射带在南北不同纬度之间发生着来回移动，也会引起海流发生一些季节性变化。但是，相对于整个海流模式的形成和维持来说，这仅仅是一种小的变化而已。“变化”与“形成和维持”毕竟有着本质的差别。所以，笔者认为太阳热力影响是海流运动变化的外因，地球自转和地热影响才是海流的根本原因。至于海风驱动之说，那就微弱得几乎可以被忽略了。

20.3  地球自转使海水形成了目前的海洋环流模式

       具体地说，地球自转又是如何使海水形成了目前的海洋环流模式呢？在20.2提出了海流的根本原因是地球自转和地球内热的新观点，并简述了地球的自转离心效应对海水的作用原理。其实更重要的是，应该看看我们能否用这种观点解释地球上不同位置的各种具体海流的形成过程。这一节就专门讲一讲这些具体过程。

实际的海水并没有布满整个地球表面，而是被陆地分隔成为一些不规则的海洋，具体又如何形成了目前的海洋环流模式呢？在此我们要比较具体讲一讲海流的形成经过。在15.3中所归纳的星球自转力学原理这样描述说：“太阳由于自转而使其体内不同位置的流体质点具有了大小不等的离心力，所以转轴两极附近的液体会下沉后通过球内向赤道截面方向流去，然后再从赤道附近上升到太阳表面来。” 我们这里讲海水就有所不同了，海水底下已经有了硬海底垫着，再不必由海水本身的离心力引导着自己向赤道截面方向流去。这里的情况是，两个极圈的硬质海底在地球自转作用下已经变成了两部大离心机（对于南极圈其实应该看成为一种力的作用中心），它们通过与海水之间的相互摩擦和碰撞作用，将海水从海底沿着下垫面直接往赤道方向送去。按照星球自转力学原理（或自转离心效应），流质球体内的各个流体质点本来是根据各自的离心力作用而具有了主动流向赤道截面的趋势，此时，海水却已经变主动为被迫而更加快速地从极地流向低纬，这正是自转使海水产生环流，与自转使液态星球体内产生环流在形式上的不同。自转使液态星球体内的流体质点得到离心力的过程，需要通过流体质点之间的互相传递才能缓慢得到。相比起来，海水从硬地壳那里被迫得到离心力，就会更直接和快速有力。

    实际上，极圈的硬质海底就像大水泵一样，迫使了极地附近的海水下沉到达海底，然后又有力地将它们撒向四面八方，使这些海水顺着海底流向低纬度地带。在海底某些海岭或陡壁的阻挡之下，向着低纬度方向流去的海底层状“寒流”并不长期保持着层状，而是会逐渐变成了条状寒流，并且在某些地方还会顺着地形涌上了海面。

       海水在从极圈顺着海底流向低纬度的过程中，因受科里奥利力的作用，运动方向都会从经向逐渐转向偏西（北半球向西南，南半球向西北）。因此，这些从高纬度海底流来的寒流，终于就必然要受到了陆地东海岸的绝对阻挡作用，于是便会紧贴这些海岸（即海洋的西岸）并露出海面，从海底到海面霸占着一条宽阔而深厚的带状海域，浩浩荡荡从高纬度向着低纬度方向奔流，这在白令海峡，以及大西洋与北冰洋相交界的70ºN附近海域，表现得十分明显（见彩图20.3-1）。显然，在70ºN附近海域，寒流必定紧贴海洋西岸向南流而绝不会靠近海洋东岸。这些贴紧海洋西岸向南流的强大寒流，如果又碰到了一些大岛屿，或者起绝对阻挡作用并伸向海洋的半岛，就又得被迫离开（或部分离开）海岸而流向外海（如大西洋的纽芬兰岛迫使寒流部分离开海岸，见彩图20.3-2），甚至重新潜入海底形成暗流（如大西洋的佛罗里达半岛东侧的寒流和朝鲜半岛东北侧的寒流，见彩图20.3-2、20.3-3）。当然，那些暗藏在海底的寒流，碰到海底的有利地形引导和适合的海流环境时，又会重新露出海面，如大西洋的加那利寒流和太平洋的加利福尼亚寒流，就都是这样从北纬40多度海域无中生有而浮现出海面来的寒流（见彩图20.3-2、20.3-3）。

       随着赤道的不断靠近，纬度坡度（即相邻纬圈与地轴距离的差异）越来越小，地球自转所形成的地面离心水泵作用就越来越小。再者，赤道附近海水的不断堆积而过剩，也抵制着海底寒流的继续向赤道附近流来。因此，实际上的海底寒流一般都没多少能真正到达赤道附近，它们在纬度30º附近就基本停止了继续向赤道方向流动，而是在海底形成了堆积和上涌，这又是自转使海水产生环流与自转使液态星球体内产生环流在结果上的不同。而且，由于地球自转的不停、海水的连续性和运动的惯性，就使得高纬度的海底寒流还依然源源不断流来。于是，在纬度30º附近堆积和上涌的海水，又不得不被迫从海面不断重新向着四面八方流散出去。在科里奥利力的作用下，从中心向着四周辐散流出的运动，最终都变成了转动，北半球顺时针转，南半球逆时针转。因此，我们可以明显地发现，不论南、北半球，凡是纬度30º附近有广阔海域的地方，海面上都是一个以纬度30º附近为中心的，北半球顺时针，南半球逆时针的环形大海流（见彩图20.3-2、20.3-3）。只是由于特殊地形的阻挡作用和（或）环南极洲强寒流的影响，才使一些大海域的这种环形大海流中心并不能都处于海域几何中心位置（如南太平洋和南印度洋，见彩图20.3-3、20.3-4）。不管是暖流还是寒流，只要流到这些纬度30º附近的环形大海流海域附近，都将被这些大搅拌机无情地混搅在一起。

       全球海流的基本模式就这样子形成了，它们是地球自转本身所自然形成的海洋环流格局。而且，在地下热能的长期配合作用下（详见16.5），又使海流的原始基本面貌永久地维持到了现在。海流长年存在着，位置也少变。地图册上可以将海洋环流模式绘制了出来，这就足以说明全球的海流格局是多么稳定。大气环流就绝对绘制不出这种几乎一成不变的固定环流模式。

       当然，在太阳辐射这个外因的影响下，随着一年四季的季节变化，这些大型的海洋环流中心的位置也会稍有变动，因此，一些环流分支的路径也就伴随有些变化，但却改变不了环流大局的永恒存在。

20.4  极圈的离心作用会不会把极地的海水甩干

       既然海水是被迫地从极地流向低纬，那么极地海水会不会被甩干呢？回答是：不会。如果极地附近的海水很浅，则它们是可以被甩干的，但现在的情况是不会的。第一，北极的水足够深，以地球目前的自转速度是无法将其甩干的；南极不甩也干，只能视其为力的作用中心。第二，由于自转离心作用的连续不断所造成的，极地附近海水的缺损和低纬度区带海水的过剩总趋势，总会通过海水的廻流而自动得到补偿，所以，北极圈内的水是绝不会干枯的。其实，这些以纬度30º附近为中心的南、北大型海洋环流，在朝向高纬度一侧的环流边缘，会恒定有一些相对的暖流自动不断地顺着海面向两极方向流去（注意在这里是海面，而从极圈被往外甩出来的海水是在海底），以寻求极圈的海水缺损趋势得到补偿。因受科里奥利力的作用，这些向着两极方向流去的暖流，在北半球实际上是向着东北方向流去的（彩图20.3-2、20.3-3）。当这些暖流遭到海洋东岸的绝对阻挡时，它们就会贴近海岸，并可能深入海底，学着逆向流来的寒流那样，也霸占着一条宽阔而贴紧海洋东岸的带状海域，浩浩荡荡向着极地的方向流去。这与寒流一样，也是在白令海峡和西欧、格陵兰这些瓶颈地带表现得最为清楚（彩图20.3-1）。白令海峡真可以说是一个最繁忙“高速公路”的咽喉，寒流和暖流分开左右各霸一方，又“井水不患河水”，各走各的路。而且，由星球自转力学原理所“规定”出来的这种“靠右走”的“交通规则”是自古以来都绝不更改的定律。

       由于纬度越高，纬度坡度就越大，科里奥利力的作用也越大，因此海水向高纬度方向流动的倾向所受到的向东分力也就越大。在南半球的60º附近，因为正好没有陆地的阻挡作用，上层海水的向南补偿廻流，最终就完全变成了环绕南极洲而向东顺时针旋转的环流。自转离心效应所造成的南极附近抽象的海水缺损趋势，逼着环绕南极洲旋转的海水继续拼命向南极方向挤靠，而这些已经快速转动着的海水，越挤靠，流速就越大，因为这里的地转偏向力（即科里奥利力）作用是很大的。结果，年长月久的累积就造成了环绕南极洲的海洋环流，成为了全球最为强大的海洋环流了（见彩图20.4）。

       北极附近长年由冰盖罩住，目前还无法观测到海流情况。但是，笔者敢于在此预示，在以北极为中心的，格陵兰岛以北的北极圈海洋内，必定是一个比起环南极洲环流的转速更快的逆时针大旋涡，它才应该是全球流速最快的海洋环流。

       在20.3、20.4中所述的，就是全球海洋环流的基本面貌及其形成的具体原因和经过。显然，这些海洋环流因地球自转而形成，又因长期与地球自转相互配合的地下热能的不断补给而得以永恒地维持。只要地球的自转照样正常地进行着（尽管有波动和变化），这种海流的基本面貌就会永恒存在着，所以我们称之为正常的海洋环流。当然，到了地球自转真正停止时，海洋环流也会变得面目全非。到时如果地心里还有热能上传，就会形成纯热力成因的海流。如果热能的上传与地球自转都同时停止了，那么海洋环流也就几乎完全停止了。

       尽管20.3、20.4只是简单的定性分析，但这种紧密结合实际的具体推理和对全球各主要特征海流的全面解释，相信也是20.2中所提出的海流成因观点的有力证据。