论地球自转对洋流的影响
埃克曼解释了:被风推动的水——以及浮在其上的流冰——为什么不顺着风走,而是斜着偏开:自转让每一层水都偏转,整根水柱旋成一道螺旋。
一位北极探险家发现,他那艘冻在冰里的船,并不随风漂,而是固执地朝风的侧面偏开——而一位年轻的物理学家,算出了整片海洋为何也如此。
把这个想法拆开看
当风吹过海面,它并不只是把水顺着推走。水一动起来,在一颗自转的行星上,但凡运动之物都会被「科里奥利效应」往侧旁一推——北半球偏右。于是,最表层那层薄薄的水,便斜着风、偏开约 45° 滑走。这层水又拖着紧贴其下的一层,那层也被推得偏右,如此一路向下:每一层都比上一层更偏向侧面、走得更慢一点。把这些箭头叠起来,就描出一道向幽暗深处旋去的螺旋。
把整道螺旋的运动加总,会落出一个利落的结果:作为整体,水被搬运的方向与风成直角——整整偏向一侧 90°。埃克曼证明,这个横向的总量,根本不依赖摩擦那些纷乱的细节。它由风、与行星的自转决定,几乎别无其他。
它从哪里来
1890 年代,挪威探险家弗里乔夫·南森,刻意把他的船「前进号」冻进北极的浮冰里,任其漂过极地之海。他注意到:冰并不随风缓行,而总是偏在风的右侧 20° 到 40°。南森疑心是地球自转所致,但他不是理论家,便把这道谜题带给了物理学家维尔海姆·皮叶克尼斯。
皮叶克尼斯把它交给了一位天资出众的学生——瓦格恩·瓦尔弗里德·埃克曼。1902 年,还在二十多岁的埃克曼勾出了答案,又在这篇 1905 年的论文里和盘托出。他从旋转流体那几条干巴巴的方程出发,生出了螺旋,也生出了那与风成直角的输送——一份干净利落的理论,解释了一项来自世界之巅的真实观测,也悄然奠定了「风如何驱动海洋」的物理学。
它为何重要
这是海洋若干至关重要之行为背后那台隐形的引擎。正因风把表层水往侧旁推,沿着海岸吹的风,便能把表层水拽向外海——而又冷、又暗、满载养分的水,就从底下涌上来填补。这些上升流海区,在秘鲁、加利福尼亚、西非外海,面积虽小,却养育了全球渔获中极大的一份。同一种横向的推挤,组织起了那些巨大的大洋涡旋,也为厄尔尼诺的登场布下了局。埃克曼的螺旋,把「风一吹、海便应」从一幅含糊的图景,变成了可以计算之物。
一个类比
想象一摞平摊着的、松松的扑克牌。用手掌擦过最上面那张:它动了,又顶了它下面那张,那张再顶下一张——但假设每张牌相对上一张,只能略微转着方向滑动。你把最上面那张往北推,它就走东北;下面那张更偏东;再下一张更偏东南;如此一路,每张更弱,直到很深处的牌几乎只是微微一颤。从上方看,这些方向便绕成一道螺旋。那么,整摞牌的净漂移呢?笔直向东——与你的手成直角。玩玩下面这面罗盘:风指向上,随着你向下沉入螺旋,水流绕着转开、并渐渐消失。
它落在何处
这属于本馆的地球科学一脉——物理学在一颗自转行星上上演的那一部分。它所倚靠的那一记横向推挤,正是那让风偏转、让风暴转向的科里奥利效应;而同一套旋转流体的数学,也塑造着浪面之上那层大气。埃克曼的输送,成了哈拉尔·斯韦尔德鲁普(1947)、以及后来斯托梅尔与蒙克据以解释湾流与大洋环流的基石——那台缓慢运转的机器,与本馆中米兰科维奇的轨道周期等工作一道,共同左右着这颗行星的气候。