海洋裡最狂暴的舞蹈——漩渦,它自古就被人們視為「滅頂之災」!

2020-12-05 宇宙探索百科

如果說潮汐是海洋的呼吸,水流是海洋的血液,波浪是海洋的喧囂,漩渦是海洋的舞蹈——狂熱旋轉、跨步和滑行的探戈。

也就是說,海洋的漩渦,就像原始的野生探戈一樣,是一個可怕而瘋狂的圓柱形水團旋轉,具有巨大的能量和排山倒海的能力。自古以來,捲入漩渦就被視為一場災難。

然而,這種探戈就像一種海洋健身舞。與潮、流、浪一起,可以防止海水變成死水,永葆生機和健康。

海峽漩渦

漩渦是指在大氣或水流中旋轉的圓柱形流體,它們都被稱為不可或缺的。有人把海峽層流中的旋轉水團稱為漩渦,把海洋湍流中的旋轉水團稱為漩渦。僅此而已。

義大利亞平寧半島和西西里島之間有一條墨西拿海峽。海峽中有一個危險的卡裡布迪斯大漩渦。自古以來,無數的船隻和水手就死在這裡。根據希臘神話,海中的海妖用美麗的顏色和歌聲引誘水手,使船沉沒;如果水手用蠟封住耳朵,他們就可以安全通過。

挪威的佛羅裡達和羅馬尼亞島。富頓島之間有一個薩特峽灣。峽灣有一個洶湧的漩渦。直徑超過10米的喇叭形漩渦一面驚心動魄地嘶鳴,一面高速旋轉。任何靠近的船,在船上盤旋的海鳥,都會在瞬間被吸入,然後就消失了。

然而,正是由於令人嘆為觀止的薩特峽灣和大漩渦的保護,北歐海盜在歐洲300年(約公元800-1100年)的「偉大事業」才得以實現。所謂「窮山惡水出刁民」。這裡的峽灣不僅是海盜休養生息的地方,也是他們獨特的光窄戰艦高舉龍旗自由馳騁的基地,更是任何膽敢剿滅他們的來犯之敵的地獄。

在瀨戶內海和紀伊水道交匯處,德島縣的鳴門與淡路島之間有個鳴門海峽。在海峽中,海峽裡一個大漩渦接著一個大漩渦,漩渦迅速,翻天覆地,最大直徑可達20米。漩渦上方是鳴門橋。「渦之道」是位於橋面下部的步行遊覽道,長約450米。透過玻璃,遊客可以在咆哮的天空中觀察到驚天動地的漩渦。雖然在橋上很安全,觀者仍不免心驚膽戰。

這類渦旋包括加拿大維多利亞與美國安吉利斯之間的胡安德卡海峽渦旋、英國蘇格蘭西海岸的侏羅紀海峽渦旋等。

這些漩渦是河流中巨大圓柱形水體的劇烈旋轉,極具破壞性和震撼性。它們的共同特點是高速性和永久性,全年可見。

中尺度渦旋

如同小巫之見大巫,較大的渦旋是直徑為幾十公裡甚至幾百公裡的海洋渦旋。它的尺度比海洋環流小,比一般的渦旋大,因此被稱為中尺度渦旋。它是一個更瘋狂的舞者,像閃電一樣移動,像風一樣來去無影。

20世紀50年代以前,經典的物理海洋學認為,海洋表面只有波浪和穩定的環流,內流較弱,深水基本穩定;海面上的波浪和洋流是由風的連續作用產生的,正所謂風生水起。

1958年,英國海洋學家羅瓦利用自由漂浮監測系統對百慕達海域的底流進行了監測。這一結果震驚了海洋界:目前海流的速度是人們預期的10倍多!傳統的風生海流理論根本無法解釋這一現象。這是大洋渦旋首次被發現。

1973年,美國發射了載人太空實驗室。利用太空船,太空人在墨西哥東部的熱帶水域發現並且拍攝了一個大漩渦。大渦長60-80公裡,冷水從100多米深處不斷向上湧。

後來發現,海洋中尺度渦旋的旋轉速度為5-50cm/s,移動速度為2-10km/d。從出現到消失,短的只有十幾天,長的則長達一兩年。其旋轉方向為順時針和逆時針。此外,大渦中還有許多小渦。

在澳大利亞以東約100公裡、距雪梨約100公裡的海域,有一個直徑約200公裡、深度800-1000米的巨大漩渦。這是一個逆時針旋轉的熱核渦旋,是迄今為止發現的最大的中尺度渦旋。

1978年,科學家在西班牙和葡萄牙海岸發現了一個神秘的「地中海漩渦」,深度超過800米。這是一個高溫高鹽的水下漩渦。漩渦中的高溫鹽水來自地中海,因此被稱為「地中海漩渦」。其直徑約100公裡,厚度一般在600米左右,其中含10億噸鹽水。

被稱為「魔鬼三角」的百慕達海域和墨西哥灣流區,從斯羅華開始到1973年,就發現了154個反氣旋式大洋渦旋。眾所周知,無數艦船飛機和生命葬身於此。

海洋漩渦無處不在。它除了規模大、壽命有限外,還具有隨機性強、能量巨大的特點。據物理海洋學家估算,其中所含的動能佔海洋總動能的90%以上,遠遠大于洋流。

成因溯源

海渦的形成和消失機制至今仍是一個謎。目前主要有以下幾種解釋:

吸血鬼說:經典流體力學認為,渦旋是在湍流中隨機形成的,其能量從主流獲得。最近,北京大學和美國霍普金斯大學的學者們通過實驗和數值模擬發現,渦旋的形成過程像吸血鬼:大渦旋把小渦旋的能量搶奪過來,通過不斷「吸血」維持其存在。渦旋消失時則相反,能量從大渦旋向小渦旋傳遞,最終轉化成熱能。這種機理有利於建立更好的計算模型,更精確地預測和理解大海渦旋、颶風和氣象變化。

蝴蝶效應說:這種觀點認為:一切混沌或非線性系統,對於初始值的微小變化十分敏感。一隻蝴蝶翅膀的擾動,往往導致各種因素的交互疊加,可能導致大範圍長期結果的巨大差異。三維流場構成了物理空間的一個非線性系統。若中尺度渦旋的下層流體呈渦旋或反渦旋,且伴有水平輻合或擴散的轉動,就會同時螺旋上升或下沉;其上層流體則呈反渦旋或渦旋,形成三維渦旋結構。

引力及地球自轉說:這種觀點認為,由於太陽和月球對地球的萬有引力以及地球自轉產生的科裡奧利力,當太陽和月球在地球的同一側或位於近地點時,海水將由高緯度區向低緯度區流動,亦即往赤道聚集成洋流。倘若表層洋流的彎曲過大,有些水團極易與母體海流脫離,形成獨立的渦旋流,一面旋轉一面前進。

內波孤立子說:專家們通過鋁粉微粒追蹤法內波水槽實驗,確認在大洋內波孤立子的傳播過程中,所產生的擾動可導致海水強烈輻合擴散。通過海脊時則會引發渦旋。而且無論上舉型還是下沉型孤立內波,都會引發渦旋場。

溫差鹽差說:教授們藉助星載傳感器研究「地中海渦旋」。他們認為由於地中海的水溫低(年平均13.5℃)、鹽度高、密度大,大西洋水溫高(年平均17℃)、鹽度低、密度小,地中海的水團從直布羅陀海峽進入大西洋後將下沉到160米以下,大西洋海水則從上層流入地中海,因而形成許多不斷向西旋轉的渦旋,其存活期可達兩年以上。它們彼此疊加,進而形成超大的、在水下延伸數百英裡的地中海渦旋。

海峽摩擦說:由於海岸的摩擦阻力,海峽中靠近海岸的水比中心的水移動得慢。如果通道本身是彎曲的,那麼曲線外部的水通常比內部的水移動得慢。航道底部地形一般非常複雜,巖石、島嶼等障礙物也會產生摩擦阻力,造成海水流速的差異。所有這些都會在海峽中產生漩渦。這一觀點可以解釋通道中漩渦的形成。

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