大海的探戈

如果说潮汐是大海的呼吸、海流是大海的血脉、波浪是大海的喧闹，涡旋便是大海的舞蹈——狂热旋转大步滑移的探戈。

　　换言之，大海的涡旋正如原始野性的探戈，是一股圆柱状水团恐怖、疯狂的旋转，能量巨大、有排山倒海之势。自古以来，卷入旋涡就被人们视为灭顶之灾。

　　不过，这探戈又如大海的健身舞。它和潮汐、海流、波浪一起，使大海免成死水，永保活力和健康。

　　

　　海峡漩涡

　　

　　漩涡和涡旋都是指大气或水流中旋转的圆柱状流体，统而称之也无不可。有人把海峡层流中出现的旋转水团称为漩涡，把大洋湍流中出现的旋转水团叫作涡旋，仅此而已。

　　意大利本土亚平宁半岛和西西里岛之间有个墨西拿海峡，海峡里有个凶险的卡里布迪斯大漩涡。自古以来，无数船只和水手葬身于此。希腊神话中说，是海中女妖塞壬用美色和歌声诱惑了水手，致使航船沉没；如果水手们用蜡封住耳朵不为所动，即可安然通过。

　　挪威的佛罗埃岛和罗。弗敦岛之间有个萨特峡湾，峡湾中有个狂暴的麦尔斯特伦大漩涡。直径十余米的喇叭状大旋涡一面惊心动魄地嘶鸣，一面高速旋转。任何靠近的船只、盘旋其上的海鸟瞬间便被吸进，即刻便没了踪影。

　　不过，也正因为惊险的萨特峡湾和麦尔斯特伦大漩涡，才成就了北欧海盗横行欧洲300年(约公元800～1100年)的“伟业”。所谓“穷山恶水出刁民”，这里的峡湾既是海盗们休养生息的家园，又是他们独特轻窄的战船高举龙旗自由驰骋的基地，更是任何胆敢剿灭他们的来犯之敌的地狱。

　　日本濑户内海与纪伊水道汇合处、德岛县的鸣门与淡路岛之间有个鸣门海峡。海峡里一个大漩涡接着一个大漩涡，飞速旋转惊天动地，最大者直径可达20米。大漩涡的上方即鸣门桥，“涡之道”是位于桥面下部的步行游览道，长约450米。透过玻璃，游人可以在震天的轰鸣声中近距离观察翻天覆地的大漩涡。虽然位于桥上十分安全，观者仍不免心惊胆战，惟恐落入其中。

　　诸如此类的漩涡还有加拿大维多利亚和美国安吉利斯之间的胡安德雷卡海峡漩涡、英国苏格兰西海岸的侏罗海峡漩涡等等。

　　这些大漩涡都是海峡里巨大圆柱状水体的狂暴旋转，破坏力巨大，令人惊骇。它们的共同特点是高速度和永驻性，常年可见。

　　

　　中尺度涡旋

　　

　　如同小巫之见大巫，更巨大的涡旋则是直径数十乃至数百千米的大洋涡旋。其尺度比大洋环流小、比常见漩涡大，因而被称为中尺度涡旋。它是更疯狂的舞者，动若闪电，来如风去无影。

　　20世纪50年代以前，经典的物理海洋学认为：大洋表层只有波浪和稳定的环流，内部的海流微弱，深处海水基本稳定；表层的波浪和海流由风的持续作用产生，正所谓风生水起。

　　1958年，英国海洋学家斯罗华用自由漂浮监测系统监测百慕大海域的底层海流。结果震惊了海洋学界：海流速度比人们预料的快10多倍!传统的风生海流理论根本无法解释该种现象。这是大洋涡旋首次被发现。

　　1973年，美国发射了载人的“天空实验室”。利用这座航天器，宇航员们拍摄到了墨西哥以东热带海域中的大涡旋。这个大涡旋纵横60～80千米，冷海水从100多米深处不断上涌。

　　后来人们知道，大洋里的中尺度涡旋旋转速度为5～50厘米／秒，移动的速度为每天2～10千米；从出现到消失，短的只有十几天，长的可达一两年。其旋转方向既有顺时针的，也有逆时针的。而且，大涡旋中往往套着无数小涡旋。

　　澳大利亚以东、距悉尼约100千米的海中，有个直径约200千米、深度为800～1000米的超大涡旋。那是一个热核涡旋，逆时针旋转，是迄今人类发现的最大中尺度涡旋。

　　1978年，科学家发现：西班牙和葡萄牙沿岸、深度超过800米处有一个神秘的“地中海涡旋”。那是一个高温高盐的水下涡旋，涡旋中温度较高的咸水来自地中海，故而得名“地中海涡旋”。其直径约100千米、厚度一般为600米左右，含有10亿吨咸水。

　　被称为“魔鬼三角”的百慕大海域和墨西哥湾流区，从斯罗华开始到1973年，就发现了154个反气旋式大洋涡旋。众所周知，无数舰船飞机和生命葬身于此。

　　大洋涡旋的身影遍布各处。除了规模超大、寿命有限之外，它还具有随机性强、能量巨大等特点。根据物理海洋学家的估算，其蕴涵的动能竟占了大洋总动能的90％以上，远远大于海流。

　　

　　成因溯源

　　

　　关于大海涡旋生成和消失的机理，至今仍是不解之谜。目前主要有以下几种解释：

　　吸血鬼说经典流体力学认为，涡旋是在湍流中随机形成的，其能量从主流获得。最近，北京大学和美国霍普金斯大学的学者们通过实验和数值模拟发现，涡旋的形成过程像吸血鬼：大涡旋把小涡旋的能量抢夺过来，通过不断“吸血”维持其存在。涡旋消失时则相反，能量从大涡旋向小涡旋传递，最终转化成热能。这种机理有利于建立更好的计算模型，更精确地预测和理解大海涡旋、飓风和气象变化。

　　蝴蝶效应说这种观点认为：一切混沌或非线性系统，对于初始值的微小变化十分敏感。一只蝴蝶翅膀的扰动，往往导致各种因素的交互叠加，可能导致大范围长期结果的巨大差异。三维流场构成了物理空间的一个非线性系统。若中尺度涡旋的下层流体呈涡旋或反涡旋，且伴有水平辐合或扩散的转动，就会同时螺旋上升或下沉；其上层流体则呈反涡旋或涡旋，形成三维涡旋结构。

　　引力及地球自转说这种观点认为，由于太阳和月球对地球的万有引力以及地球自转产生的科里奥利力，当太阳和月球在地球的同一侧或位于近地点时，海水将由高纬度区向低纬度区流动，亦即往赤道聚集成洋流。倘若表层洋流的弯曲过大，有些水团极易与母体海流脱离，形成独立的涡旋流，一面旋转一面前进。

　　内波孤立子说台湾中山大学和中兴大学的专家们通过铝粉微粒追踪法内波水槽实验，确认在大洋内波孤立子的传播过程中，所产生的扰动可导致海水强烈辐合扩散。通过海脊时则会引发涡旋。而且无论上举型还是下沉型孤立内波，都会引发涡旋场。

　　温差盐差说美国特拉华大学、加州理工学院及中国海洋大学的教授们借助星载传感器研究“地中海涡旋”。他们认为由于地中海的水温低(年平均13.5℃)、盐度高、密度大，大西洋水温高(年平均17℃)、盐度低、密度小，地中海的水团从直布罗陀海峡进入大西洋后将下沉到160米以下，大西洋海水则从上层流入地中海，因而形成许多不断向西旋转的涡旋，其存活期可达两年以上。它们彼此叠加，进而形成超大的、在水下延伸数百英里的地中海涡旋。

　　海峡摩擦说海峡中靠近海岸的水要比中央的水流动得慢，是因为受到海岸的摩擦阻力。如果海峡本身就呈曲线状，曲线外侧的水通常比曲线内侧的水流动得慢。海峡底部的地形一般很复杂，岩石等障碍物及岛屿同样会产生摩擦阻力，导致海水流速上的差异。这些都会在海峡中产生漩涡。这种观点可以解释海峡漩涡的生成。
　　功不可没

　　

　　涡旋是大海疯狂、恐怖的探戈。然而，对于海洋、地球乃至我们这个星球上的生灵来说，涡旋作用巨大、功劳卓著。

　　涡旋的特点是：涡心的圆周速度为零，动能最小、势能最大；自涡心向外，圆周速度先与半径成正比，达到最大值后，再与半径成反比。因此，涡旋就有两种：一种自上而下把温度高的海面水不断卷入海底，这是热核涡旋；另一种自下而上把温度低的海底水不断翻上海面，被称为冷核涡旋。而且，热核涡旋和冷核涡旋常常毗邻共生。于是，涡旋便能让大海“沸腾”——产生了翻江倒海的搅拌、循环作用。

　　这种搅拌和循环使大海具有了多种作用：

　　营养供给器涡旋与海流一起，利用搅拌作用将海洋深处相对较冷且富含微生物和硅藻类营养的水送到海面。在阳光的照射下，浮游生物迅猛增长，小甲壳及小鱼虾类因而繁衍起来，巨鲸大鱼等等也追逐而来，整个海洋食物链便活跃起来、生机勃勃。简言之，涡旋是海洋食物链最基本的营养供给器之一，有效提高了海洋生产力。

　　热量调节泵作为海洋循环系统的重要部分，涡旋有助于海洋热量对气候的调节作用。因为仅海洋表层3米内的海水所含的热量，就相当于整个大气层的总和。

　　澳大利亚科学家肯·里奇威等发现：南半球海洋涡旋之间有一个连接纽带，形成一个全球规模的超级大涡旋和“深海通道”。它在三大洋之间输送海水，把热带的海洋热量输送到极地，帮助平衡气候系统。比如，西太平洋暖流就将热量从太平洋传输到印度洋，再传输到北大西洋。北大西洋的“副热带涡旋环流”，则和墨西哥湾流一起，把温暖海水往北传输，使欧洲地区的气温上升了大约5~C。

　　搅拌增氧机不言而喻，飞速旋转的涡旋剧烈扰动了海水，有利于海水吸收、溶解更多的氧气。这对于困扰太平洋西北沿岸的氧不足问题不无益处。另外，前述热核涡旋在把温度高的海面表层水不断卷入海底的同时，也就把富含在表层水中的空气尤其是氧气输送到海底，增加了底层海水中的氧气，避免了海底低氧水团和海面灾害性赤潮的发生。

　　垃圾输送带美国加利福尼亚州和夏威夷之间的一个大洋涡旋，竟能将数千英里以外的垃圾逐渐地“吸”过来，形成一个“塑料垃圾大陆”。其面积竟有6个英国大!在这个新大陆的形成过程中，大洋涡旋和海洋环流起到了令人惊异的收集和输运作用。

　　

　　未解的谜团

　　

　　涡旋这种大海的探戈，仍然是当代最难解答的科学谜团之一。更广义地说，从地球的河流、湖泊、海洋、大气、磁流体到茫茫宇宙间的射线辐射、电磁场、引力场甚至星云、黑洞等等，涡旋无时不有无处不在。诸如此类的涡旋究竟是因何而生因何而逝?为何来元踪去无影?如此巨大的能量又从何而来?一个接一个的尽是不解之谜。

　　尽管许多流体力学、物理海洋学、大气物理学、空气动力学、天体物理学等方面的专家都在研究涡旋，人类目前对它们的认识依然非常有限。

　　著名的物理学家、量子力学的奠基人海森堡的博士毕业论文就是关于湍流的。晚年时的他曾经说过，见了上帝之后，“我会向他提出两个问题。第一个：为什么会出现相对性?第二个：为什么会出现湍流紊乱(包括涡旋)?我想，上帝或许会给出第一个问题的答案”。

　　言外之意，关于湍流和涡旋的许多奥秘，上帝也未必知道。

　　

　　责任编辑　赵　菲