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Friday, December 13, 2013

生命之泉 — 海洋湧昇流(Oceanic Upwelling)(上)

如果您喜歡這篇文章,請至下列網頁按〝like〞,以後就可以較快得知此部落格的新動態。 謝謝!   - March 16, 2017     https://www.facebook.com/gliding.cloud

地球的表面積有 70% 被海洋覆蓋,而海洋的平均深度超過四千公尺。這麼碩大的空間雖然有不少生物生存,但其實它是一個很沒有效率的循環空間。當生物死亡之後,其遺體的大部份會因為重力而沉入海洋深處,遺體所含的養份也隨之而下。但是在絕大部分的海洋深處,都缺乏氧氣及陽光(或是其他形式的能源),不適合一般生物的生長,於是食物鍊無法形成,宛若水中荒漠。

幸好的是:在一些有限的海域,存在著「湧昇流」,可以將部分沉入深海的養份,帶回到富有陽光及氧氣的海洋表層。 在這樣的地方,經常可以看到旺盛的食物鍊活動,它們除了是良好的魚場之外,也常常是其他海洋生物,如鯨魚、海豚、海豹、以及許多種海鳥活躍繁衍的地方。所以湧昇流是海洋生態一個非常重要的環節。

海洋湧昇流有兩大類,及其它的小類。其中一大類,主要發生在一些特定的海岸,被稱為 Coastal Upwelling」。另外一大類,則主要發生在太平洋的赤道區,被稱為 Equatorial Upwelling」。我會依次地向大家介紹這兩大類。有些人得到印象說:海洋湧昇流主要是海流造成的,其實上述的兩大類海洋湧昇流,都主要是海風造成的。只有一些次要的海洋湧昇流,才是主要由海流造成的,我會在下一集裡觸及。

由於地球自轉的關係,地球表面的氣體或液體在做長距離流動時,會出現軌跡彎曲的現象。在北半球是傾向右轉,而在南半球則是傾向左轉,這種現象被稱為「Coriolis Force」,中文翻譯成「科氏力」。

在北半球當海風吹拂過海面時,表面的海水受到海風的磨擦力,及本身科氏力的交互作用,會沿著與海風小角度右轉的方向流動。同理,它下面一點的海水,則會向更右轉的方向流動(當然其流量也會比最表面的海水稍低)。這個效果累推下去,是一個向下越來越弱的螺旋,而這個螺旋的淨累積效果,則是一個與風向大致右轉 90 度的水流。 這種現象被稱為「Ekman Transport」。在南半球也有「Ekman Transport」的現象,只不過水流淨向與風向大致左轉 90 度。
在北半球,當海風的方向大致與海岸平行,而海洋又位在右方時,就常常會產生一個有趣的結果:淺層的海水被海風推向右方之後,因為左方是陸地,無法補充右向流失的淺層的海水,於是較深層的海水會被吸上來補充,這樣就形成了湧昇流,也就是「Costal Upwelling」。
 

全球有很多海岸有這樣的湧昇流。但是因為它們是海風造成的,所以大部分的海岸湧昇流是季節性的,不過也有一些是全年性的,例如中、南美洲的西海岸、以及非洲的西海岸,就是全年性的。而我居住的加州海岸的湧昇流,就只在夏半年發生。

在夏半年裡,北太平洋的中間一帶,常常存在著一個強度與面積均相當可觀的高氣壓。海風會環繞著高氣壓的中心順時針地吹拂,其方向在加州海岸就常常和海岸線大致平行,於是構成了上述的「Ekman Transport」的要件。因此加州海岸(除了洛杉磯及以南之外)在夏季的大部份時間,都會有強烈的湧昇流。再加上加州海岸許多地方的坡度不小,離海岸不遠海水深度就頗為可觀,因此湧上來的海水溫度偏低,夏季大部分的時間會在攝氏十五度或以下,導致加州海岸夏季大都涼爽,只有在北太平洋的高氣壓間歇性地減弱甚或消失時,加州海岸才會有幾天的熱浪。這個湧昇流區南北超過一千公里,每年時間長達四個月,是全球重要的湧昇流區之一。可惜加州的海岸線、向南到洛杉磯地區之前就顯著向東轉向,因此洛杉磯地區缺乏「Ekman Transport」的要件,無法享受到夏季的涼爽。 


加州海岸的這個湧昇流系統,不僅為大部分的加州海岸帶來涼爽的夏季,也帶來了夏季繁榮的海洋生態。像在離舊金山市南方數十公裡的 Monterey Bay,因為有很深的海底峽谷一直延伸到近岸,所以那裡的湧昇流特別富含養份,因此促成了異常旺盛的夏季海洋食物鍊。 例如說:那裡夏季盛產的 Krill (磷蝦),就吸引了不少的鯨魚前來覓食。我在這裡附了一張幾年前拍攝的 Humpback Whale 」(「座頭鯨」、亦名「大翅鯨」)大啖磷蝦的照片。我在這個海灣裡,就見過六種鯨魚,還有成千的海豚及海鳥。(請參考數篇拙作:「舊金山附近的鯨魚和海豚 (一)」http://dison-kuo.blogspot.com/2014/04/blog-post_17.html、「舊金山附近的鯨魚和海豚 (二)」http://dison-kuo.blogspot.com/2013/12/blog-post_9947.html、「舊金山附近的鯨魚和海豚 (三)」http://dison-kuo.blogspot.com/2013/12/blog-post_4981.html、及「舊金山附近三種值得認識的海鳥」http://dison-kuo.blogspot.com/2013/12/three-kinds-of-pelagic-bird-that-are.html。)


比「Costal Upwelling」在形成機制上更有趣的,是「Equatorial Upwelling」(赤道湧昇流)。地球在赤道附近的表面有兩道「Trade Wind」(貿易風):在偏北那一道往西南吹,在偏南那一道則往西北吹。理論上,這兩道貿易風交會的地方應該在赤道上。但是實際上,它並不一定在赤道上,而會隨季節南北移動,而且通常是位在赤道的北邊。所以在一年的不少日子裡,赤道上都會有向西北吹的海風。基於「Ekman Transport」,在赤道稍偏北的表面海水會往北移動;在赤道稍偏南的表面海水則會往南移動。而它們分別離開之後,得由赤道較深層的海水湧上來補充,於是就形成了「赤道湧昇流」。(為了簡化圖表,下列圖示只顯示海風的西向分量所造成的效果。海風的北向分量,因為和湧昇流無關,所以其效果並未被顯示。)的換句話說,赤道湧昇流是結合了科氏力在南、北半球相反的表現而產生的。

 
赤道湧昇流的強弱,直接受到西向貿易風強弱的影響。例如說,在「El Niño」(聖嬰現象)發生時,赤道附近的西向風大為減弱,赤道湧昇流也會隨著減弱。在其最盛時,亦即「La Niña」(反聖嬰現象)時,赤道湧昇流區大致佔了太平洋赤道區偏東大約五分之三的部分,其長度接近一萬公里,範圍相當廣大,也對太平洋中部的海洋生態有重要的影響。其實「聖嬰現象」的發現與命名,就是起源於這個赤道湧昇流區的東端靠近南美洲附近的漁場,隔幾年就會有西風變弱、海水變暖、魚獲量大減的現象。後來科學家才發現這種變化,涉及全球,是氣象學及海洋學裡一個很重要的現象。






 
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