地球/5d. 表面洋流
美國船隻讓娜號被困在冰中，木質船體在刺骨的寒冷中開裂破碎。過去一個月，該船一直在北極冰中被困。船員們慌忙地將船隻卸到平坦的白色的荒涼地帶。他們拖著船隻，驚恐地看著船隻的殘骸沉入冰封的北冰洋的冰冷幕布中。探險隊在他們的隊長喬治·W·德隆的帶領下，前往北極，他是一位美國海軍軍官，正在尋找通往北極開放海域的航線。他的船沉入冰中，讓他的船員被困在冰封的海洋上。德隆拿出了他的航海日誌，記錄了沉船的位置，北緯 77°15′ 東經 155°00′ / 北緯 77.25° 東經 155°，然後命令船員們拖著船隻和他們剩下的所有物資穿過廣闊的冰面。
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他們到達開闊的水域後，便駕著船隻駛入沒有冰封的水域，向南劃去。首席工程師喬治·梅爾維爾是一位堅毅的人物，留著長長的預言般的鬍鬚，帶領著一組倖存者。梅爾維爾在海軍中一步步晉升，幫助建立了美國海軍學院，是這種危險的北極探險的資深人士。1873 年，他自願幫助營救了命運多舛的北極星探險隊的倖存者，該探險隊試圖到達北極。現在，同樣被困在類似的境地中，喬治·梅爾維爾目睹著不同的船隻在開闊的水面上顛簸，很快就在夜間分開了。這是他最後一次見到德隆船長活著。他船上的小船員在登上西伯利亞北部海岸的勒拿河三角洲後倖存下來。在接下來的一年裡，梅爾維爾一直在尋找德隆，最後發現了他的遺體，以及 11 名船員的遺體。他還發現了船長的航海日誌，記錄了他們最接近北極的距離。梅爾維爾在 1884 年出版的一本書中寫下了這次命運多舛的探險，以及對船長的搜尋。
同年，即 1884 年，他們的船隻殘骸在格陵蘭島海岸附近被發現。儘管這艘船在西伯利亞北部冰中沉沒，但它卻以某種方式被極地洋流從北冰洋帶到了南格陵蘭島，相隔數千公里。這艘沉船的長途航行，激發了挪威探險家弗裡喬夫·南森試圖再次抵達北極的念頭，他打算故意駕駛一艘汽船駛入冰中，讓冰將這艘船儘可能地帶到北極。一旦被困的船隻在冰中到達最北端，一支狗拉雪橇隊就可以從被冰封的船隻上卸下，然後在冰封的海冰上行駛剩餘的幾公里，到達地球最北端。這是一個大膽的計劃，需要了解高北極海流和海冰的運動。
這艘名為“弗拉姆”號的汽船從挪威出發，沿著西伯利亞北部海岸航行，然後向北迴旋，直到遇到冰。這艘船被困在冰中，進行了為期三年的向北然後向西的航行，當它在 1895 年 3 月 14 日到達最北端時，弗裡喬夫·南森和赫亞爾馬爾·約翰森從被困在冰中的船隻上卸下，然後乘坐狗拉雪橇繼續向北進發。南森在六分儀上記錄了北緯 86°13.6′，然後轉身折返，無法到達北緯 90° 的北極。在接下來的幾年裡，這兩位探險家在海冰上向南行駛，奇蹟般地兩人都倖存了下來。這艘被冰困的汽船及其船員從冰中獲救，併成功地航行回挪威。沒有船員在這次嘗試中死亡，儘管沒有到達北極，但這次探險被認為是一次巨大的成功。南森受過海洋動物學訓練，回到家鄉後便致力於研究海洋。
弗裡喬夫·南森一直對洋流在地球上的流動方式感到困惑。他特別想知道冰山和擱淺的船隻是如何被洋流帶走的。在探險過程中，南森利用了跨極地漂流，這是一股從西伯利亞海岸向西流向格陵蘭島的洋流，由一個圍繞北極的大型環流驅動，稱為博福特環流。在海洋學中，環流是指海洋表面的大型環流。博福特環流圍繞北極順時針旋轉，而地球圍繞極軸逆時針旋轉。南森推斷，海洋表面與地球旋轉方向相反的原因是，與固態地球不同，液態海洋（以及上方的氣態大氣）只是鬆散地附著在地球表面，地球自轉的慣性和阻力導致液體落後於固態地球的運動。當南森的船被困在海冰中時，地球在船下旋轉，而攜帶冰凍海冰和被困船隻的液態海洋似乎抵制了這種運動，因此格陵蘭島海岸朝著船隻移動，因為固態地球在它下方旋轉。然而，南森意識到這不是真的，因為海洋和固態地球以幾乎相同的恆定速度和相同的慣性繞軸旋轉。冰和洋流應該與旋轉的地球同步旋轉。在探險過程中，南森注意到冰的漂移方向與盛行風向之間存在 20° 到 40° 的夾角，他懷疑洋流受到盛行風向的影響。
南森聯絡了維爾赫爾姆·比約克尼斯教授，他在烏普薩拉大學研究流體動力學。比約克尼斯認為洋流主要受地球運動產生的科里奧利力控制，但他建議他的最優秀的學生瓦格·瓦爾弗裡德·埃克曼進行博士研究。埃克曼與粗獷的北極探險家南森截然相反。埃克曼是一位刻苦的學生，戴著厚厚的眼鏡，身材矮小纖細。他對數學方程式更感興趣，並且彈奏鋼琴，在當地合唱團唱歌。
在恆定速度下，用旋轉的水盆進行的流體動力學實驗表明，當從上方向水中新增彩色染料時，旋轉水盆（零加速度）會產生穩定效果。這是因為染料新增到的旋轉水盆的點或位置與下方旋轉水盆具有相同的速度和慣性。事實上，觀察到染料的顏色形成了一條狹窄的柱狀，並且相對於下方旋轉的水盆沒有旋轉。這似乎表明南森的北極探險壯舉是不可能的。然而，如果從側面向旋轉水盆新增染料，染料會由於科里奧利效應而迅速旋轉，因為染料正在穿過不同的半徑，因此其速度由於這種水平運動而發生變化。
埃克曼懷疑，在開闊的海洋中，各種力量在起作用，改變著海水速度或速度，從而使水不穩定並導致其運動。埃克曼定義了兩個邊界，稱為埃克曼層，第一個是海底。海底並不平坦，而是具有複雜的形貌，這個邊界是最堅固的，因為它受到上方水的最大壓力。第二個埃克曼層是海面。這裡，海洋受風吹影響，承受的壓力最小。盛行風將受地轉流的控制，地轉流受大氣壓梯度和科里奧利力的平衡影響；這些地轉風傾向於平行於氣壓梯度流動。風只會影響海洋的最上層部分，也許只有到 10 米深。兩個埃克曼層之間的這種壓力梯度會導致每一層之間的速度變化，從而導致液態海洋的剪下，因為上層受風向的影響，而下層受地球自轉的影響。使用數學公式，埃克曼證明這種運動會導致海洋中出現旋轉或螺旋運動，稱為埃克曼螺旋。
在海面上，水平運動的方向將最大，因為地轉風對海面的影響。地轉風將驅使它們下方的海水垂直於科里奧利方向流動，然而，由於海水不受氣壓梯度的影響，它們將更多地受到科里奧利方向的影響，導致洋流以 20° 到 40° 的角度向右（在北半球）偏離盛行風向。
埃克曼螺旋具有幾個重要的意義。首先，表層或近表層海水移動最快，而深層海水則活動性要小得多，並且更永久地固定在海底。海洋學家將地球上海水環流的運動描述為兩種截然不同的模式。表層洋流活動性更強，表層海水以非常快的速度（幾個月到幾年）環繞地球，而深層洋流則要慢得多，深層水的長期環流模式持續數百或數千年。埃克曼螺旋還證明了南森的大膽探險是如何能夠成功的，因為這艘船被困在海面上的海冰中，它受到跨極地漂移的盛行地轉東風的影響，此外，科里奧利效應使博福特環流順時針旋轉。這導致表層海水和海冰以 20° 到 40° 的角度相對於盛行風向移動，導致南森幾乎成功地到達了北極。
上升流和下降流
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埃克曼螺旋有助於理解海水如何能夠垂直穿過水柱運動，特別是在大陸邊緣附近的海水中。當風向驅動洋流要麼朝海岸線流動，要麼遠離海岸線流動時，就會發生這種上升流和下降流。如果盛行風吹動並導致表層洋流從海洋流向陸地，並且這些表層洋流垂直於海岸線，那麼表層海水將導致海水下降，因為海水在到達海岸時被推向更深處。然而，當盛行風從陸地吹向海洋，而表層洋流與海岸線成相反方向垂直時，就會發生上升流，因為表層海水將被推離海岸線，將深層海水帶到海面。然而，通常盛行表層洋流並不僅僅垂直於海岸線，從而導致被稱為沿岸流的水流。沿岸流依賴於盛行的傾斜風向，該風向將水和沉積物（如海灘沙子）沿著海岸線平行於海岸線輸送。當沿岸流在相反方向匯合，或者波浪中斷時，就會形成離岸流，它將表層海水從岸邊帶走並流向大海。離岸流對游泳者來說很危險，因為強大的洋流會將毫無戒心的游泳者從岸邊帶走。重要的是要注意，埃克曼研究導致的海水上升流和下降流在整個海洋中都相對較淺，並且主要發生在島嶼和大陸的淺海海岸線附近。深海中深淵帶的最深處需要不同的機制來將這些深層海水提升或降低到海面，這將在後面討論。然而，埃克曼的發現和數學模型對於理解全球表層洋流至關重要。
表層洋流
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北半球的表層洋流將向右順時針旋轉，而在南半球，表層洋流將向左逆時針旋轉。最著名的表層洋流之一是墨西哥灣流，它從西印度群島延伸到加勒比海，然後沿美國和加拿大東海岸向北流動，將溫暖的赤道海水帶到不列顛群島和歐洲。墨西哥灣流是更大的北大西洋環流的一部分，北大西洋環流在北大西洋以順時針方向旋轉。墨西哥灣流將溫暖的海水帶到西歐海岸，使這些地區的溫度更高。加那利寒流從西班牙沿非洲海岸向南流動，導致較冷的表層海水向赤道流動，在那裡洋流與北赤道流相遇，完成了北大西洋環流的完整迴路。在南大西洋，表層洋流以逆時針方向旋轉。沿南赤道流向西流動，然後沿巴西海岸向南流動，穿過南大西洋向東流動，最後沿奈米比亞海岸向北流動，以逆時針方向流動，成為南大西洋環流。在北大西洋環流和南大西洋環流的中心，表層洋流保持相當靜止。早期的水手將北大西洋環流的中心稱為薩加索海，之所以這麼叫，是因為在相當靜止的海水中漂浮著大量的馬尾藻屬褐藻。今天，這些北大西洋和南大西洋區域有一個更不祥的名字，即垃圾帶。傾倒在海洋中的塑膠和其他垃圾積聚在海洋的這些區域，在那裡它們形成了由微塑膠聚乙烯和聚丙烯組成的巨大漂浮物，這些材料構成了常見的家庭用品，這些用品被傾倒並帶入海洋。
在北大西洋環流和南大西洋環流之間，有一個區域，水手們在歷史上稱之為無風帶，它位於大西洋的赤道緯度。這裡，表層海水受到科里奧利力的影響較小，因為海水與地球自轉方向相同。這導致了被稱為赤道逆流的現象。赤道逆流將表層海水從西向東輸送，方向與將水手從東向西帶到赤道附近的東風相反。赤道逆流是熱帶輻合帶（ITCZ）風的產物，熱帶輻合帶形成一個低壓匯合帶，因為大氣中的空氣由於這些溫暖水域的太陽熱量增加而上升。
帆船會避開這些區域，因為它們會顯著減緩依賴於表面洋流和盛行風航行的帆船航行速度。從歐洲前往北美的水手會沿著該區域北部的東風帶航行，而返回歐洲的水手則會沿著墨西哥灣暖流的西風帶航行，比他們前往北美的航程更靠北穿越北大西洋。這導致了早期跨大西洋貿易路線沿著從西印度群島向北到紐約的海岸線航行，最終導致商品從南方沿著北美東部港口向北方運輸。雖然加勒比海島嶼是歐洲和非洲商人穿越大西洋後在北半球到達的首批地方之一。如今的船隻受表面洋流和盛行風的影響較小，因為它們配備了驅動船體下方螺旋槳的發動機。然而，表面洋流確實決定了船舶丟失貨物的流動方向，對於營救受困于海洋及其洋流的水手來說也十分有用。
太平洋與大西洋的表面洋流類似，但規模更大。同樣，有兩個大型環流。在北太平洋，**北太平洋環流**是表面洋流的流動，遵循順時針方向。暖赤道水沿著亞洲海岸向北移動，進入朝鮮和日本，形成**日本暖流**。這股洋流類似於墨西哥灣暖流，是一股向北移動的暖流，流經北太平洋，然後沿著北美西太平洋海岸向南流動，在那裡被稱為**加利福尼亞寒流**。暖赤道水流經北太平洋的這種運動導致北美北部海岸線出現類似的變暖現象。它也使漂浮的碎屑從日本海岸移動到加拿大和美國太平洋西北部的海岸。雖然由於太平洋比大西洋更大，因此海水略微冷卻。然而，太平洋西北部表面海水比在如此高緯度地區通常預期的溫度更高。例如，加拿大溫哥華（位於北緯 49.30°）的年平均氣溫為 11.0°C，而加拿大哈利法克斯（位於北大西洋海岸，北緯 44.65°）的年平均氣溫僅為 6.5°C，儘管其緯度相對更低。這些溫暖的表面洋流可能使得北美太平洋海岸的很大一部分在過去的冰河時期沒有結冰，當時巨大的冰蓋覆蓋了加拿大內陸。現在正在冷卻的海水沿著美國太平洋海岸向南流動，導致南加州的氣候更加涼爽，比洛杉磯等城市的更靠南的緯度預期要更溫和。表面洋流對當地氣候有深遠的影響。
**南太平洋環流**的旋轉方向與北半球相反，呈逆時針方向。這導致暖赤道表面洋流流入澳大利亞南部和紐西蘭海岸，將暖流帶到這些地區。**東澳大利亞洋流**與日本暖流和墨西哥灣暖流類似，給這些地區帶來溫暖，包括大堡礁南至悉尼港。然後，表面洋流橫穿南太平洋，但在沿著南極繞極流推動時會冷卻，秘魯寒流將冷水沿著南美西海岸帶走，一直到加拉帕戈斯群島。儘管緯度處於赤道，但由於秘魯寒流的冷卻作用，加拉帕戈斯群島附近的海水與其他赤道海水相比相對較冷。企鵝佔據了島嶼的岩石海岸線，這是它們最北部的分佈範圍。就像在大西洋一樣，一條大型**赤道逆流**在 ITCZ 內向東流動，也在太平洋產生了赤道無風帶。
印度洋與大西洋和太平洋不同，大部分位於赤道以南，因此只有一個大型表面洋流環流，以逆時針方向旋轉。由於 ITCZ 的影響，在印度南部海岸有一股赤道逆流向東流動。該區域每年在印度次大陸上空向北移動，導致印度季風降雨。東非和馬達加斯加享受著類似於墨西哥灣暖流、日本暖流和東澳大利亞洋流的溫暖熱帶洋流，使這些地區也容易受到颱風和颶風的襲擊。
最後一個表面洋流是迄今為止最重要的洋流之一：**南極繞極流**，也被稱為**西風漂流**，環繞著南極洲海岸。我們討論的大多數洋流都是地球自轉以及大陸排列的產物，大陸阻擋了海水向東流動，導致了上述眾多環流的形成。南極繞極流向東流動，由於其路徑上沒有主要陸地，因此持續不斷地流動，始終環繞著南極洲海岸。這些海水保持寒冷，與其他洋流相比極其寒冷，因為表面洋流不會迴圈到地球的溫暖赤道區域。
南極繞極流的出現發生在漸新世早期（距今 3390 萬年前），當時將南美洲和南極洲分開的德雷克海峽開放，允許洋流在兩大陸之間流動，並阻止南極寒冷的海水向北輸送。相反，從那時起，南極繞極流顯著冷卻了南極洲，導致該大陸形成了巨大的冰蓋，使其成為如今極度寒冷的地區。南極繞極流對地球產生了全球影響，導致全球氣溫下降，從而引發了大冰河時期。在此事件發生前的數百萬年前，存在一條不再存在的 *全球赤道流*，它穿過北美和南美之間，並延伸到古代海路（稱為特提斯海），該海路將非洲和歐洲分開，覆蓋了中東。赤道上的這條洋流導致地球在始新世（距今約 5000 萬年前）出現了一些最溫暖的全球氣候。表面洋流透過對流，將溫暖和寒冷的海水帶到地球表面的不同地方，對區域和全球氣候產生重大影響。
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