海洋科學(xué)導(dǎo)論作業(yè)

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向一具沒有學(xué)過海洋學(xué)的人介紹并解釋大尺度海流與一般人直覺相悖的現(xiàn)象。

一、風(fēng)海流體積輸送方向與風(fēng)向垂直（北冰洋浮冰隨海水運(yùn)動的方向與風(fēng)吹方向別一致）

首先，我們應(yīng)當(dāng)懂，風(fēng)海流是湍切應(yīng)力和科氏力平衡時的穩(wěn)定流淌。

為了更好地解釋這一現(xiàn)象，我們引入一具理想的海水模型：

1)密度均勻；

2)海區(qū)無限寬廣，海面無起伏；

3)風(fēng)場均勻，長時刻吹；

4)科氏力別隨緯度變化；

5)只思考垂直渦動粘滯系量引起的水平方向的摩擦，且視為常數(shù)。

也算是講，在我們研究的理想海水中，密度均勻，海區(qū)寬廣，這意味著因密度造成的海流和地形的制約因素能夠別思考；風(fēng)場均勻同時恒有風(fēng)，意味著風(fēng)海流的動力是源源別斷且均勻的；科氏力，也算是地轉(zhuǎn)偏向力別隨緯度變化，即海水的受力不可能因位置的變動而改變大?。徊⑶?，我們只對水平方向上海水層之間的摩擦力予以思考，方便起見，將其大小視為常數(shù)。

于是，我們能夠在理想海水海面上加一股定向的風(fēng)，假設(shè)風(fēng)吹向北。由于海水表面與大氣的摩擦力的存在，海水得以運(yùn)動，而科氏力的存在，又使得海面上海水流淌方向與風(fēng)向存在一具45°夾角，即海面海水流向東北。

我們接著研究更深處海水的運(yùn)動狀態(tài)。能夠想見，隨著深度的增加，風(fēng)的動能越來越多地經(jīng)過摩擦力做功轉(zhuǎn)化為海水的內(nèi)能，海水的流速在豎直方向上顯著減小，到達(dá)一定深度后，海水的流速甚至別到表面流速的5%.

另一方面，科氏力在海水的運(yùn)動中客觀存在著，并顯著改變著其方向。假如把海水看做由一層一層薄薄的海面拼合而成，這么，上一層海面的運(yùn)動會帶動下一層海面的運(yùn)動，他們間的摩擦力因上一層海水的運(yùn)動產(chǎn)生，方向與其運(yùn)動方向一致，但科氏力的方向不可能改變，于是他們的合力方向愈發(fā)向右偏（關(guān)于科氏力向右的北半球而言），進(jìn)而導(dǎo)致每一層海水的運(yùn)動方向都較上一層偏右，在到達(dá)某一深度時，甚至?xí)蚺c表面海水徹底相反的方向。

該模型被稱為埃克曼（Ekman）深海漂流理論，在三維空間中，每一層海水速度矢量終點(diǎn)的連線呈螺旋狀下落，該曲線叫做埃克曼螺旋線。

而對沿豎直方向從海面到無限深處速度的定積分，便是風(fēng)海流的體積輸送量。為了方便計算，我們從北向和東向分不求定積分。計算結(jié)果告訴我們，北向的定積分為零，而東向的定積分為一常數(shù)。這也就意味著，盡管速度方向千變?nèi)f化，風(fēng)海流的體積輸送方向卻是與風(fēng)向垂直的正東！

積分就是十分復(fù)雜，我們別妨定性地解釋這一現(xiàn)象。上文講到，從表面到深水，每一層海水的運(yùn)動速度別斷減小，方向別短偏向右，而運(yùn)動速度減小的速度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于方向變化之速度的，這就意味著，當(dāng)海水運(yùn)動方向指向正南或西南時，它的速度差不多能夠忽略別計，因此海水向西運(yùn)輸?shù)捏w積微乎其微，難以與向東運(yùn)輸?shù)捏w積抵消，但向南和向北運(yùn)輸?shù)暮Ｋw積大致相等，相互抵消，總量為零也就并別奇怪了。因此宏觀來看，海水的體積運(yùn)輸方向是垂直于風(fēng)向向東的。

二、洋流的西向強(qiáng)化現(xiàn)象（大洋西岸洋流比東岸強(qiáng)許多）

顯而易見，思考全球范圍的洋流運(yùn)動時，假如僅僅加入風(fēng)應(yīng)力和別隨緯度變化的科氏力時，大洋環(huán)流會是圖（a）中的模樣：一具套著一具的環(huán)流圈。

但假如我們思考到科氏力隨緯度的增大而增大，這么大洋環(huán)流就會變成（b）圖中西岸密集，東岸稀疏的模樣。

我們能夠從科氏力變化的角度，定性分析這一現(xiàn)象。

如圖所示，假定該海域在北半球，科氏力偏向右，風(fēng)應(yīng)力一半向西一半向東，科氏力隨緯度升高而增大。在向西的風(fēng)應(yīng)力作用下，海水向西運(yùn)動，由于科氏力的擾動，他們的運(yùn)動方向會偏向北，這就意味著，隨著他們的運(yùn)動，所受的科氏力逐漸增大，向北的趨勢愈發(fā)明顯，最后在西岸匯聚成強(qiáng)大的北向洋流，流過風(fēng)應(yīng)力為零的區(qū)域。

緊繼續(xù)，海流收到東向風(fēng)應(yīng)力，由于科氏力的作用向南偏，進(jìn)而隨著海水的運(yùn)動，所受科氏力減小，向南運(yùn)動趨勢減緩，當(dāng)海流運(yùn)動方向偏向正南時，海流已變得十分松散無力，造成東岸海流較弱。

正是因?yàn)榭剖狭﹄S緯度的變化，大洋環(huán)流才呈現(xiàn)大洋西岸強(qiáng)（灣流，黑潮），東岸弱（加利福尼亞寒流，秘魯寒流）的西向強(qiáng)化現(xiàn)象。

選做作業(yè)

如果海水沒有鹽度，海水的物理性質(zhì)，海洋要素分布及海水動力現(xiàn)象會發(fā)生哪些變化。

鹽度，與溫度和密度并稱為海水的三大要素。我們對海水的第一感受，似乎算是“海水是咸的”——正因?yàn)楹Ｋ柠}度客觀存在，變化多端，才造就了海水紛繁復(fù)雜的物理現(xiàn)象，規(guī)模極大的海洋環(huán)流，豐富多彩的海洋生物和取之別盡的資源財寶。

對于鹽度的定義，最開始是如此表示的：一千克海水中將溴，碘離子以氯置換，碳酸鹽分解為氧化物,有機(jī)物全部氧化,所余固體物質(zhì)的總克數(shù)。在1969年，人們提出了電導(dǎo)鹽度的概念，使得鹽度的測量更加精確。

標(biāo)準(zhǔn)海水的鹽度是35。各個大洋的海水鹽度略有別同，大西洋最高，可達(dá)34.90，太平洋最低，是34.69；大洋中各個區(qū)域鹽度也別盡相同，赤道地區(qū)落水豐沛，鹽度小，；副熱帶海域蒸發(fā)量大，落水少，鹽度非常高，極地地區(qū)，海水鹽度逐漸落低；鉛直分布上，海水鹽度則與該深度的水團(tuán)性質(zhì)有關(guān)，因區(qū)域而異。

正因?yàn)楹Ｋ柠}度的存在，才有了時刻尺度為千年量級，妨礙整個地球的深層海水溫鹽環(huán)流；小尺度的海流中，地中海海水進(jìn)入大西洋后下沉，紅海海水居于印度洋中層，都與海水的高鹽度別無關(guān)系。

另外，海水的鹽度來自于豐富的無機(jī)鹽、礦物質(zhì)，他們既能夠沖刷海岸，造就嶙峋偉岸的壯麗景觀，又能夠沉積于海底，形成造福人類的礦物結(jié)核。豐富的營養(yǎng)物質(zhì)也孕育了多彩的生物世界，充實(shí)了整個地球。

但是，假如海水失去鹽度，變成了純水，又會有啥情況發(fā)生呢？

讓我們先從鹽度的定義以及海水的物理性質(zhì)入手。

鹽度為零，意味著鹵素?zé)o機(jī)鹽，無機(jī)含氧酸鹽，有機(jī)物全部消逝，海水變?yōu)榧兯?，這無疑會對海水的物理性質(zhì)產(chǎn)生巨大妨礙。

首先，鹽度為零意味著同溫度下海水的密度變小，同樣質(zhì)量的水，體積反而會變大，海平面有也許上升。同體積水產(chǎn)生的浮力也會隨著鹽度的消逝而減小，人

們興許會需要造出排水量更大的船，以習(xí)慣新的大洋。然而鹽度為零，并且也意味著海水對橋梁，船舶的腐蝕減小，這對船舶及港口行業(yè)來講無疑是福音。

其次，我們懂，鹽度越低，海水的比熱越高。當(dāng)海水鹽度為零時，海水的比熱也達(dá)到了前所未有的高度，它調(diào)節(jié)氣候的作用也更顯著。以港口都市青島為例，如今的海水已腳以造就強(qiáng)烈的海陸風(fēng)，起到吹走霧霾，凈化環(huán)境，冬暖夏涼的作用，假如海水的比熱更大，這么海陸風(fēng)顯然會更劇烈，而對氣溫的調(diào)節(jié)也就更加顯著了。

再者，海水的鹽度為零，滲透壓會發(fā)生驟減。這關(guān)于海洋生物無疑是毀滅性的打擊，細(xì)胞的滲透體系將會崩潰，生物大量滅絕，有幸存機(jī)遇的僅僅是一些有壁細(xì)胞及其構(gòu)成的生物——藻類，細(xì)菌等等。并且，河水反而成為了高滲溶液，在三角洲地區(qū)，海水有倒灌的也許性。

固然，海冰的物理性質(zhì)也會因海水鹽度的改變而變化。我們懂，當(dāng)海水鹽度低于24.695時，海冰的結(jié)冰方式與淡水冰無異，基本上從表面開始，而下層保持液態(tài)。這就意味著，鹽度為零的海洋結(jié)冰時，會呈現(xiàn)與如今別同的方式：海冰整片相連，浮于表面，結(jié)冰面積極大。這也意味著，海冰的冰害比如今更加嚴(yán)峻了。

別單單是物理性質(zhì)，整個地球上海水要素的分布，都會因?yàn)楹Ｋ}度變?yōu)榱愣l(fā)生巨變。

先從鹽度的水平分布講起，容易得出的結(jié)論是，先前馬鞍狀的密度曲線別復(fù)存在，全球大洋各個深度水平方向上海水鹽度均為零。

我們進(jìn)而分析溫度的水平分布，表層的水溫固然和如今區(qū)不別大，大致從赤道向兩極遞減，但在下層海水中，大西洋中層因地中海海水高鹽度下沉而形成的高溫海水區(qū)將會消逝，其他地區(qū)變化別大。

于是我們能夠得出密度的水平分布，近極地地區(qū)4℃的海水密度最大，向赤道地區(qū)遞減，深層海水密度加大，且水平變化愈別明顯。

我們能夠懂，由于海表面海水密度的別同，導(dǎo)致別同地區(qū)的海水輻聚下沉，居于海水的某一深度處，導(dǎo)致了海水要素鉛直分布差異。這么我們能夠得知，海水鹽度為零時，極地地區(qū)海水密度還是最大，將會居于海水最深層，赤道處海水溫度高，還是會在海洋表面，副熱帶地區(qū)海水受鹽度妨礙較大，鹽度為零時，它的密度減小比較明顯，難以像往常一樣居于海水中層，鉛直方向上海水的溫度變化也會所以改變，密度變化則隨著溫度要素的改變發(fā)生調(diào)整。

最終讓我們分析一下海水動力現(xiàn)象受海水鹽度變化而產(chǎn)生的妨礙。

海水鹽度變?yōu)榱?，首?dāng)其沖受到妨礙的無疑是深海的溫鹽流。我們懂，溫鹽流是由密度梯度驅(qū)動的，而鹽度的改變勢必會引起密度的改變，如今在調(diào)節(jié)氣候，傳遞能量等方面有巨大作用，全球范圍內(nèi)，千年量級的深海大尺度溫鹽流也會所以發(fā)生巨大改變，甚至消逝：這對地球的妨礙是難以估量的，電影《后天》里的情景有也許會所以浮現(xiàn)。

由于鹽度為零時，海水的密度不過溫度的函數(shù)，這就使得大洋海水的鉛直分布發(fā)生變化。最明顯的當(dāng)屬北大西洋地區(qū)：地中海海水高鹽的性質(zhì)消逝了，再難以因密度大而深入北大西洋中層，而所以而形成的洋流固然也就銷聲匿跡了。

固然，海浪與潮汐也會或多或少受到妨礙。比如因?yàn)辂}度落低，海水密度變小，風(fēng)應(yīng)力別變的事情下，海浪會變得更大更