海流的环球之旅

编译|吴再丰

海流的环球之旅

编译|吴再丰

如果将地球当成一个生命体的话，海流犹如身体中循环的血流。一方面海流会对气候或生态系统等产生各种影响；另一方面，整个地球的气候通过海流奇迹般地保持平衡。

占地球面积70%的是海洋。在那里，巨大的海水构成生机勃勃流动的海流。到底是什么致使海水流动？在海洋中海流又是怎样环球旅行的？日本近海黑潮的部分海水几乎巡游世界，它在北大西洋沉入深海，上千年后再次返回太平洋。为了揭开海流之谜，我们追随海流作一次环绕地球的宏伟之旅吧。

由风诞生的强海流

世界的海流大体上分为表层流和深层流双层结构。引起这两种不同海流的原因，分别是风力和海水的密度差（盐分等溶解使海水密度增高或温度降低，具有使海水加重的性质）。可见风力是制造深度不到千米的浅表层海流（表层流）的重要因素，海水密度差是制造超过千米以上更深处流动的深层流的主动力。

制造表层流的风有两种：一种是偏西风，另一种是“信风”。偏西风是北半球与南半球各自纬度30°-50°一带由西向东刮起的风；而信风则是从赤道到纬度30°附近由哈得莱环流产生的由东向西的风。

此外，制造海流还有另一个重要的因素，那就是“地转偏向力”，即在自转的地球上，无论海流还是在北半球受到向右拐、在南半球受到向左拐的力。19世纪末，挪威探险家南森乘坐非拉姆号船探险北极时发现，不管刮什么风，北极海的冰全都流向右方，现在知道这种现象就是由被称之为“地球偏向力”产生的。

在北半球和南半球各自的海域，被偏西风与信风相互逆向的强风硬拽的海水，在地转偏向力的作用下，又受到了陆地形状的影响，从而形成像轮子循环似的“环流”。但是风的直接影响达不到海的深处，所以千米以上深海的流动与风不同，是由海水的密度差产生的。

与海流相似的现象有“潮流”。但它是由海潮的涨落、一天改变两次方向的流动。如日本鸣门，就是在海水涨、退潮时以潮水涡漩发出轰鸣而闻名的。

顺便说一下偏西风和信风的发生机制（图1）。

覆盖地球的大气，因赤道上的暖空气而膨胀，又因近极地的冷空气而收缩，从而产生气压差，并由此产生朝向极地的“气压梯度力”。在它的作用下，空气从赤道附近向两极流动，并又受到地转偏向力所产生顺时针方向的行星温度的影响，使在北半球的风向右拐。随着两者力的平衡，便引起了从西向东的偏西风。

在赤道附近，温暖的大气上升，而在南半球与北半球30°的纬度一带则下沉，形成深厚的副热带高压带。这样，低空由副热带高压带吹向赤道地区的风，在吹送过程中因受地转偏向力的影响，引起从东向西的信风。1735年，英国学者哈德莱首次提出用来解释信风的经向环流，故又称“哈德莱环流”。

但是，黑潮或墨西哥湾流那样的巨大强海流都发生在海的西侧，而海的东侧没有强流生成，这是为什么呢？实际上，这是海流引起所谓的“西岸强化”现象。通过西岸强化，地球上的海流哪一个都是在海的西侧强（图2）。简单地说，地球乃是一个“旋转的球体”。

地球上的任何物体都在对着垂直地面的轴做旋转运动，这个旋转运动随着纬度的增加而加快。不过，只要停留在同一点就不会觉察到旋转运动，这是周围物体皆做相同旋转的缘故。但是，它在东侧的部分海水漩涡环流南下，在西侧的则北上。由于从北而来的海水比在南边的海水更强地做逆时针旋转运动，因而受到南下顺时针旋转海流的阻挡，起到了减弱海流的作用。与此相反，南方的海流随着这个海流北上，即原来几乎不做旋转运动的海水进入了做逆时针旋转运动的海水之中，从周围的海水来看，相对地恰似做顺时针的旋转运动，结果起到了加强顺时针旋转海流的作用。这样，在海的西侧海水流动自然比在东侧强。

黑潮绕太平洋三年回到故乡

黑潮，又称日本暖流，源于北赤道海流。在菲律宾群岛东约北纬12°-13°附近海面，北赤道海流分成南北两支，其中较大的北支沿吕宋岛东岸向北流去，形成“黑潮”（因海水呈蓝黑色故名）。

黑潮离开日本沿着北太平洋西部边缘向东北流动，延续为北太平洋暖流，它到北美附近时分成两支：一支北上，被称为“阿拉斯加暖流”，另一支沿北美南下，被称为“加利福尼亚寒流”。它沿美国西海岸自北向南流，直抵北纬12°附近汇入北赤道海流。至此，黑潮随着围绕太平洋的环流经过三年又回到故乡。

在太平洋西南、赤道正下方的这个海域经太阳光照射，海水经常是温暖的。部分温暖的海水蒸发，升到高空的水蒸汽变成积雨云，不久变成雨落到地上，在海与大气之间进行循环。

温暖海水积存的地方有时扩大到更东边，被称之为“厄尔尼诺现象”。引起厄尔尼诺现象的年份，在印度尼西亚等东南亚国家或澳大利亚会引起干旱；在南美秘鲁的沙漠地带则常有大雨；而在日本又能引起冷夏和暖冬等异常气象。这就表明海流与气候有密切的关系。

另一方面，深海流在太平洋从大约4000米深的深层，再经过约1000年浮出到表层，与表层流合流。黑潮实际上就是在这个海域诞生来到日本近海的，并由此离开太平洋的环流穿过西里伯斯海，经印度洋，走向遥远的大西洋。

终点与起点

北美大陆的东岸海上流过被称之为“墨西哥湾流”的最强劲暖流，湾流宽约100千米、深1000千米，最大流速每秒1.5~2米，是可与北太平洋黑潮相比的巨大海流。由于大西洋受风面积比太平洋窄，北来海流的强度比太平洋弱，因此，作为温暖的湾流就比黑潮更容易北上。

另外，北大西洋包揽了地球上仅有两个海水沉入深海的地点。在此沉入的海水像被拽着似的，湾流被拽到遥远的北边，因此欧洲即使在高纬度也会构成温暖的气候。

借助湾流北上的大西洋海水渐渐来到大西洋以北的挪威海。这一带是表层的海水沉入大约4000米深层的地点之一。海水温度越低，盐分浓度越高越重，也就越容易沉入。而在日本以北的鄂霍茨克海，由于海水冻冰变成漂在海上的海水，又由于海冰不含盐分，所以到夏天融化，则海洋表层的盐分浓度降低，所以，不论冬夏都没有沉到深海。但是在北大西洋的高纬度地区，来自盐分浓度高的南边的海流能够北上到很远的北边，所以被凉下来的海水便沉到深海。

沉入深海含很多盐分的凉海水慢慢地扩展到整个地球的海底。其扩展速度并不均衡，有时时速仅10米，甚至慢到观察不到的程度。

如果没有海流，地球将变成不同的行星。

在格陵兰海面上沉入深海的海水变得非常缓慢地流动，沿着美洲大陆像匍匐于海底那样南下入大西洋。途中，部分水历经以千年为单位的漫长时间才上升到表层，而那些上升不到表层继续在深层潜行的深层流，从北大西洋历经数百年好不容易才来到另一个沉入点——南极沿岸的威德尔海。在此它与起始于威德尔海的深层水混合，并且一边在南极周围的海底顺时针循环，一边流入印度洋与太平洋。流入印度洋或太平洋的深层流一边翻滚成大的圆，一边用以千年为单位的长时间上升到表层。

如果汲上深海的海水，进行放射性碳同位素年代测定，则能够测量深层水的年龄（沉入深层后的年数）。结果得出最年轻的是北大西洋的深层水，南极海的深层水是820岁，印度洋北部的深层水是1200岁，最年长的北太平洋深层水是1670岁。

以日本近海为起点的海流，要历经大约近2000年的时间，才能返回到出发点。海流环绕地球之旅真可谓是神志不清的漫长之旅。

海流的循环带来稳定的气候

北纬68°的挪威罗弗敦群岛的海，虽处在北极圈，但即使冬天也不结冰，这是因为温暖的湾流通过在格陵兰海面沉入深层流后被拽到北方，所以尽管处在高纬度仍保持了温暖的气候。

在格陵兰海面沉入的海水在南极再次被冷却，流入印度洋、太平洋，然后上升回到表层的世界海洋循环，被比喻为很好的“传送带”。最近研究结果表明，如果这个传送带起不到好的作用，它会给地球的气候带来非常大的影响。

大约13000年前，在仅数十年间平均气温降低了5℃~7℃，原因就与海的传送带有密切关系。那时，在美洲大陆北部巨大的湖发生了大规模的洪水，大量的淡水流入北大西洋，使海水的盐分浓度降低，无法获得沉入深层的充分重量。为此传送带突然几乎停止，北大西洋的表层被冰覆盖，从南边运来温暖海水的湾流也不能北上，北大西洋周边急剧变冷。

另外，最近的研究结果表明，这个传送带的方向并不总是恒定的，在漫长的地球历史中，好像也有反转现象。大约18000年前，深层的循环好像是从北太平洋出发的。

如果将地球当成为一个生命体的话，海流犹如身体中循环的血流。一方面海流会对气候或生态系统等产生各种影响；另一方面，整个地球的气候通过海流奇迹般地保持平衡。

海流与气候的密切关系，大致上是从极地区向赤道区流动寒流，从赤道区向极地区流动暖流。由于海流具有不易变温的性质，通过海流的循环，让整个地球的气温趋于均匀。假使没有海流，则赤道比现在还要热，极地比现在还要冷。

由于海流的作用，即使在纬度相同的地方，气候也会有很大的变化。在靠近赤道的亚热带，被温暖的湾流沿着美洲东海岸北上，在欧洲沿岸延续为“北大西洋暖流”。不久好不容易才来到北极圈的挪威沿岸。由此挪威成为在北极圈唯一还有意想不到温暖气候的国度，即使在冬天海水也不结冰。北纬60°以北不结冰的海域只有挪威的海面。

另外，苏格兰的因弗维尽管在北纬58°，屋外仍存在亚热带植物园，纵然在寒冷的冬天还盛开着亚热带的花。而太平洋侧的北纬58°，大致上处于相同纬度的勘察加半岛北端却是亚寒带气候。两者的气候真可谓是天壤之别。

由此可知，为什么北大西洋海流给欧洲沿岸带来了温暖气候。