地球/5d. 海面環流
被困在冰中，美國船隻 讓娜號 正在被壓碎，它的木質船體在冰冷的海洋的強力控制下裂開並斷裂。在過去的一個月裡，這艘船一直被困在北極冰中。船員們爭先恐後地將船隻卸到光禿禿的白色荒地上。他們拖著船隻，驚恐地看著這艘船的殘骸在北冰洋冰冷的畫布之間沉沒。這次探險由他們的船長 喬治·W·德龍 帶領，他是一名美國海軍軍官，正在尋找通往開放的北極海的通道。他的船在冰下沉沒，使他的船員被困在冰凍的海洋上。德龍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°，然後命令士兵們拖著船隻和剩下的補給穿過廣闊的冰面。
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到達開闊水域後，他們將船隻駛入未結冰的水域，向南划槳。首席工程師 喬治·梅爾維爾，一位有著長長預言般鬍鬚的堅毅人物，帶領著一群倖存者。梅爾維爾在海軍中一路晉升，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不濟的 北極星探險隊 的倖存者，這是一次前往北極的嘗試。現在再次陷入類似的境地，喬治·梅爾維爾看著各種船隻在開闊水域中顛簸，很快在夜間分散開來。這是他最後一次見到德龍船長，他活著。他的小船上的船員在登上西伯利亞北部海岸的勒拿三角洲後倖存下來。在接下來的一年裡，梅爾維爾一直在尋找德龍，最終發現了他的屍體以及 11 名船員的屍體。他還找到了船長的航海日誌，上面記錄了他們到達北極的最遠距離。梅爾維爾在 1884 年出版的一本書中寫下了這次不幸的探險和尋找船長的經歷。
同年，即 1884 年，他們在 格陵蘭 沿海發現了他們的船隻殘骸。儘管這艘船在西伯利亞北部沉沒在冰中，但它不知何故被北極洋流帶到數千英里外的格陵蘭南部。這艘殘骸的漫長航程引發了挪威探險家 弗裡喬夫·南森 嘗試利用蒸汽船故意駛入冰層，讓冰層將船隻儘可能地帶到北極的設想。一旦被困的船隻在冰中到達最北端，一隻狗拉雪橇隊就可以從冰封的船隻下船，並在凍結的海冰上行走剩下的幾英里，到達地球最北端。這是一個大膽的計劃，需要了解高緯度地區的洋流和海冰的運動。
這艘名為弗拉姆號的蒸汽船從挪威出發，沿著西伯利亞北部海岸航行，然後轉向北，直到遇到冰層。這艘船被困在冰中，被冰層帶著向北，然後向西航行，三年後，在 1895 年 3 月 14 日到達最北端，弗裡喬夫·南森和希亞爾馬·約翰森從冰封的船隻下船，繼續乘坐狗拉雪橇向北。南森在他的六分儀上記錄了北緯 86°13.6′，然後折返，無法到達北緯 90°的北極。在接下來的幾年裡，這兩個人在海冰上向南行駛，奇蹟般地，兩個人都倖存下來。冰封的蒸汽船及其船員從冰中被釋放，成功航行回挪威。沒有船員在這次嘗試中死亡，儘管沒有到達北極，但這次探險被視為一次巨大的成功。南森原本是一名海洋動物學家，他回到家後便致力於研究海洋。
弗裡喬夫·南森仍然對洋流如何在世界各地流動感到困惑。他特別感興趣的是冰山和擱淺的船隻如何被洋流帶走。在這次探險中，南森利用了 **跨極漂流**，這是一種從西伯利亞海岸向西流向格陵蘭的洋流，它是由一個稱為 **博福特環流** 的大型環流驅動的，該環流圍繞北極旋轉。在海洋學中，環流是指大洋表面的一個大型迴圈洋流。博福特環流圍繞北極順時針旋轉，而地球則圍繞極軸逆時針旋轉。南森認為，海洋表面與地球旋轉方向相反的原因是，與固體地球不同，液體海洋（以及上方的氣態大氣）與地球表面只是鬆散地連線在一起，地球自轉的慣性和阻力導致液體落後於固體地球的運動。當南森的船被困在海冰中時，地球在其下方旋轉，而帶著凍結的海冰和被困船隻的液態海洋似乎抵制了這種運動，因此格陵蘭海岸被帶到船隻附近，因為固體地球在其下方旋轉。然而，南森意識到情況並非如此，因為海洋和固體地球以幾乎相同的恆定速度和慣性繞軸旋轉。冰層和洋流應該與旋轉的地球同步旋轉。在探險期間，南森注意到冰層以 20° 到 40° 的角度漂移到盛行風向的右側，他懷疑洋流受盛行風向的影響。
南森聯絡了 維爾赫姆·比耶克尼斯 教授，他在 烏普薩拉大學 研究 流體動力學。比耶克尼斯認為，洋流主要受地球運動產生的科里奧利力的控制，但他建議他的最優秀的學生 瓦格恩·瓦爾弗裡德·埃克曼 為他的博士研究進行這項研究。埃克曼與粗獷的北極探險家南森截然不同。埃克曼是一位戴著厚厚眼鏡、身材矮小而文弱的學者。他更喜歡數學方程式，在當地合唱團中彈奏鋼琴和唱歌。
在恆定速度下使用旋轉水碗進行的流體動力學實驗表明，當從上方將彩色染料滴入水中時，旋轉碗（無加速度）會產生穩定效應。這是因為染料滴入旋轉水碗的點或位置的速度和慣性與下面的旋轉碗相同。事實上，觀察到染料的顏色形成了一個窄柱，並且相對於下面的旋轉碗沒有旋轉。這似乎表明南森的北極探險壯舉是不可能的。然而，如果從側面將染料加入旋轉水碗中，染料會很快螺旋狀流動，這是由於科里奧利效應，因為染料正在穿過不同的半徑，因此它的速度由於這種水平運動而發生了變化。
埃克曼懷疑，在開闊的海洋中，有各種力量在改變海水速度或速度，這會導致水的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，而是具有複雜的地形，這個邊界是最堅固的，因為它承受著來自上方水的最大壓力。第二個埃克曼層是海洋表面。在這裡，海洋受風的影響，承受著最小的壓力。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。風只會影響海洋最上層的部分，可能只有 10 米深。這兩個埃克曼層之間產生的壓力梯度導致每層之間的速度發生變化，導致液體海洋產生剪下，因為上部受風向影響，下部受旋轉地球影響。使用數學公式，埃克曼證明了這種運動會導致海洋內部的旋轉或螺旋運動，稱為埃克曼螺旋。
在海洋表面，水平運動的方向最大，因為地轉風對海洋表面的影響。地轉風會驅動它們下面的海水垂直於科里奧利方向流動，然而，由於水不受氣壓梯度的影響，它們會受到科里奧利方向的影響更大，導致洋流的方向與盛行風向成 20° 到 40° 的角度（在北半球）。埃克曼螺旋和埃克曼開發的數學方法使人們對洋流運動有了深刻的理解。
埃克曼螺旋具有幾個重要意義。首先是表面或近地表海水流動最快，而深層海水流動性要小得多，並且更固定地附著在海底。海洋學家將地球上海水迴圈運動描述為兩種截然不同的模式。表層洋流的流動性要大得多，表層海水快速地環繞地球流動（幾個月到幾年），而深層洋流要慢得多，深層水的長期迴圈模式持續數百或數千年。埃克曼螺旋也表明了南森的大膽探險為何能夠成功，因為這艘船被困在表面的海冰中，它受到橫跨極地漂流的盛行地轉東風的影響，再加上科里奧利效應使博福特環流以順時針方向旋轉。這導致表層海水和海冰以 20° 到 40° 的角度流動，與盛行風向成一定角度，導致南森幾乎成功地到達北極。
上升流和下降流
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埃克曼螺旋有助於理解海水是如何透過水柱垂直運動的，尤其是在大陸邊緣沿海岸線附近的海水中。當風向驅動洋流朝海岸線移動或遠離海岸線移動時，就會發生這種上升流和下降流。如果盛行風吹向海洋，導致表層洋流從海洋向陸地移動，並且這些表層洋流垂直於海岸線，那麼表層海水會導致海水下降，因為當海水到達海岸時會被推向更深處。然而，當盛行風從陸地吹向海洋，表層洋流垂直於海岸線，方向相反時，就會發生上升流，因為表層海水會被推離海岸線，將深層海水帶到表面。然而，通常情況下，盛行表層洋流並不僅僅垂直於海岸線，導致一種稱為沿岸流的水流。沿岸流取決於盛行傾斜風向，該風向將水和沉積物（如海灘沙子）沿海岸平行於海岸線運輸。當沿岸流在相反方向匯合，或波浪發生斷裂時，就會形成離岸流，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，因為強烈的洋流會將毫無戒心的游泳者帶離岸邊。值得注意的是，埃克曼研究導致的上升流和下降流在整個海洋中相對較淺，主要發生在島嶼和大陸的淺海岸線上。深淵帶最深的海水需要不同的機制才能將這些深層海水提升或降低到表面，這將在後面討論。然而，埃克曼的發現和數學模型對於理解世界各地的表層洋流至關重要。
表層洋流
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北半球的表層洋流將以順時針方向向右旋轉，而南半球的表層洋流將以逆時針方向向左旋轉。最著名的表層洋流之一是墨西哥灣暖流，它從西印度群島延伸到加勒比海，沿著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。墨西哥灣暖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大規模旋轉。墨西哥灣暖流將溫暖的海水帶到西歐的海岸，導致這些地區的溫帶氣候。加那利寒流從西班牙沿著非洲海岸向南流動，導致較冷的表層海水向赤道流動，在那裡洋流與北赤道洋流相遇，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。沿著南赤道洋流向西流動，然後沿著巴西海岸向南流動，橫跨南大西洋向東流動，然後沿著奈米比亞海岸向北流動，形成一個逆時針迴路，稱為南大西洋環流。在北大西洋環流和南大西洋環流的中心，表層洋流相當靜止。早期的水手將北大西洋環流的中心稱為馬尾藻海，這個名字來源於生長在相當靜止的海水中大量褐藻馬尾藻。如今，這些北大西洋和南大西洋地區的中心被稱為更加不祥的名字：垃圾帶。傾倒到海洋中的塑膠和其他垃圾在這些海洋區域積累，形成了大量由微塑膠聚乙烯和聚丙烯組成的漂浮物，這些微塑膠構成了被傾倒並帶到海洋中的常見家用物品。
在北大西洋環流和南大西洋環流之間，有一個區域，歷史上水手將其稱為無風帶，它位於大西洋的赤道緯度。這裡表層海水受科里奧利力的影響較小，因為海水與地球自轉方向相同。這導致了所謂的赤道逆流。赤道逆流將表層海水從西向東運輸，方向與將水手從東向西帶到赤道附近的東信風相反。赤道逆流是赤道輻合帶（ITCZ）風的結果，赤道輻合帶形成一個低壓輻合區，因為大氣中的空氣由於這些溫暖水域的太陽照射升溫而上升。
帆船會避開這些區域，因為這些區域會顯著減緩依賴表面洋流和盛行風的帆船航行速度。從歐洲前往北美的水手會沿著這個區域北部的東風航行，而返回歐洲的水手則會沿著墨西哥灣暖流的西風航行，在返回歐洲的航程中，他們會比前往北美的航程更北地穿越北大西洋。這導致了早期橫跨大西洋的貿易路線沿著從西印度群島向北到紐約的海岸線航行，導致貨物從南部沿北美東部港口向北部運輸。雖然加勒比海群島是歐洲和非洲商人穿越大西洋後在北半球到達的首批地點之一。如今的船舶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遺失貨物的流動方向，並且對於營救受困于海洋和洋流的水手很有用。
太平洋的表面洋流與大西洋相似，但規模更大。同樣，也有兩個大型環流。在北太平洋，**北太平洋環流**是一個順時針方向的表面洋流。溫暖的赤道水流沿亞洲海岸向北流動，進入韓國和日本，形成了**日本暖流**。這條洋流，就像墨西哥灣暖流一樣，是一條向北流動的暖流，它流經北太平洋，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**。這種溫暖的赤道水流在北太平洋的流動導致了北美北部海岸線的類似變暖。它還會將漂浮的垃圾從日本海岸帶到加拿大和美國的太平洋西北海岸。儘管由於太平洋比大西洋更大，因此海水溫度略低。然而，太平洋西北部的表面海水溫度比這種高緯度地區通常預期的要高。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，儘管其緯度相對偏南。這些溫暖的表面洋流可能導致北美太平洋海岸的很大一部分在過去的冰河時期沒有被冰雪覆蓋，而當時加拿大內陸被巨大的冰蓋覆蓋。現在冷卻的水流沿著美國太平洋海岸向南流動，導致南加州的氣候更涼爽、更溫和，這與洛杉磯等城市更南的緯度相比是不尋常的。表面洋流對當地氣候有深遠的影響。
**南太平洋環流**的旋轉方向與北方相反，為逆時針方向。這導致溫暖的赤道海水錶面洋流流入澳大利亞南部和紐西蘭海岸，給這些地區帶來了溫暖的水流。**東澳大利亞洋流**，與日本暖流和墨西哥灣暖流一樣，使這些地區變暖，包括大堡礁南部的悉尼港。然後，表面洋流橫穿南太平洋，但在沿著南極繞極流推動時變冷，秘魯寒流將冷水帶到南美洲西海岸，一直到加拉帕戈斯群島。儘管位於赤道附近，但加拉帕戈斯群島附近的水域由於秘魯寒流的影響，與其他赤道海水相比，相對涼爽。企鵝在島嶼的岩石海岸線上棲息，這是它們最北部的分佈範圍。就像在大西洋中一樣，一個大型**赤道逆流**在 ITCZ 內向東流動，也導致了太平洋的赤道無風帶。
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，它以逆時針方向旋轉。由於 ITCZ 的影響，在印度南部海岸附近有一個向東流動的赤道逆流。這個區域每年都會向北移動到印度次大陸上空，每年都會產生印度季風雨。東非和馬達加斯加享受著與墨西哥灣暖流、日本暖流和東澳大利亞洋流相似的溫暖熱帶洋流，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，環繞著南極洲的海岸。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，導致了上面提到的許多環流。南極繞極流向東流動，並且由於其路徑上沒有主要陸地，因此持續不斷地流動，永遠環繞著南極洲的海岸。這些海水仍然很冷，與其他洋流相比冷得令人難以置信，因為表面洋流不會迴圈到地球更溫暖的赤道區域。
南極繞極流的出現始於漸新世時期，即 3390 萬年前，當時將南美洲和南極洲分開的德雷克海峽開放，使洋流能夠在這兩個大陸之間流動，並阻止了寒冷的南極海水向北輸送。從那時起，南極繞極流使南極洲顯著變冷，導致南極洲形成了巨大的冰蓋，使其成為如今寒冷而荒涼的地方。南極繞極流對地球產生了全球性影響，導致全球氣溫下降，從而導致了大冰河時代的開始。在這段事件發生之前的數百萬年，一個不再存在的全球赤道洋流存在，它流經北美洲和南美洲之間，並延伸到古代的海道——特提斯海——它將非洲和歐洲隔開，覆蓋了中東。赤道附近的這條洋流導致了始新世時期（大約 5000 萬年前）地球上一些最溫暖的全球氣候。表面洋流對區域和全球氣候有重大影響，因為它們是透過對流將溫暖和寒冷的海水帶到地球表面的不同區域的一種方式。
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