在水循环过程中,降水、蒸发和径流是最主要的环节,这三者构成的水循环途径决定着全球的水量平衡,也决定着一个地区的水资源总量。其中,蒸发是水循环中最重要的环节之一。由蒸发产生的水汽进入大气并随大气活动而运动。大气中的水汽主要来自海洋,一部分还来自大陆表面的蒸发和散发。大气层中水汽的循环是蒸发—凝结—降水—蒸发的周而复始的过程。海洋上空的水汽可被输送到陆地上空凝结降水,称为外来水汽降水;大陆上空的水汽直接凝结降水,称内部水汽降水。
那什么因素会影响水循环呢?可分为两个方面:一个是自然因素,另一个是人为因素。自然因素主要有气象条件,如大气环流、风向、风速、温度、湿度等,还有地理条件,如地形、地质、土壤、植被等;人为因素对水循环也有直接或间接的影响,人类活动不断改变着自然环境,越来越强烈地影响着水循环的过程。人类构筑水库,开凿运河,以及大量开发利用地下水等,改变了水的原来径流路线,引起水的分布和水运动状况的变化。农业的发展,森林的破坏,引起蒸发、径流、下渗等过程的变化。
水循环是联系地球各圈和各种水体的“纽带”。它是“调节器”,调节了地球各圈层之间的能量。水循环还是“雕塑家”,它通过侵蚀,搬运和堆积,塑造了丰富多彩的地表形象。更重要的是,通过水循环,海洋不断向陆地输送淡水,补充和更新陆地上的淡水资源,从而使水成为可再生的资源。
潮汐
你知道吗?大海也像人一样会呼吸。当你来到海边,那一起一伏的海浪就会涌向岸边,飞溅起朵朵浪花。沙滩被海水浸没,几个小时后,海水又悄悄退隐。这就是大海有节奏的呼吸,海水按时涨落,天天如此,年年不变,这种有规律的海潮就是海洋中的潮汐现象。
凡是到过海边的人们,都会看到海水有一种周期性的涨落现象:到了一定时间,海水迅猛上涨,达到高潮;过后一些时间,上涨的海水又自行退去,留下一片沙滩,出现低潮。如此循环重复,永不停息。海水的这种运动现象就是潮汐。广义的潮汐应包括海潮和气潮,它们是一个统一的整体。由于海潮现象十分明显,且与人们的生活、经济活动、交通运输等关系密切,因此习惯上将潮汐一词狭义理解为海洋潮汐。
海洋为什么能遵守时间的涨落呢?
原来,这是月亮和太阳对海水的吸引造成的。宇宙中一切物体之间都是相互吸引的,引力的大小同这两个物体质量的乘积成正比,同他们之间距离的平方成反比。月亮和太阳对地球的引力,在陆地和海洋两部分的任何一点上都是一样的。但是,由于陆地地面是固体的,引力带来的表面变化不容易看出来,而海水是流动的液体,在引力的作用下,它会向吸引它的方向涌流,所以形成明显的涨落变化。
太阳虽然比月亮大得多,可是它和地球之间的距离毕竟太远了,所以月亮对海水的吸引力要比太阳大得多。海水涨落的主要动力是月亮的引力。地球上,面对月亮的这一面接受月亮的引力,引力的方向是指向月亮中心的。而背着月亮的一面,则产生了相应于引力的离心力。引力和离心力都会引起海水涌流方向的变化,造成不同海区水位不同的变化,使得面对月亮或背着月亮的地球两侧的海洋水位升高,出现涨潮;与此同时,位于两个高潮之间部位的海水,由于向涨潮的地方涌去,便会出现落潮。这就是说,世界各地的海洋,具体的方位不同,涨潮和落潮的时间是不同的。
地球在不停地自转,对某一个地方来说,每天都要面向月亮一次和背向月亮一次,所以一般来说,要出现两次涨潮和两次落潮。太阳对海水的引力虽然小,可是也有一定的影响。主要由于月亮的引力而引起的潮汐现象,因为太阳引力的参与,太阳引力和月亮引力共同发挥作用,就使得海水的涨落过程变得复杂了。
在中国海区,农历每月初一或十五的时候,地球和月亮、太阳几乎在同一条直线上,日、月引力之和使海水涨落的幅度较大,叫大潮;而当农历初八和二十三的时候,地球、月亮、太阳三者之间的相对位置差不多成了直角形,月亮的引力要被太阳的引力抵消一部分,所以海水涨落的幅度比较小,叫小潮。涨潮落潮的次数,潮的大小,还要受海岸地形、气候等各种因素的影响。
所以,有的地方一天有两次涨潮,两次落潮;有的地方只有一次涨潮,一次落潮;前者叫半日潮,后者叫全日潮。还有的地方潮水涨落情况要更复杂一些。如果两个相邻的高潮之间和相邻的低潮之间,时间不均等,这叫做混合潮。
我国海区杭州湾的钱塘江潮,就是由于受海岸地形的影响而形成的一种特殊类型的涌潮。钱塘江口宽100千米,而江道河面仅宽四五千米,呈喇叭口状。涨潮时,海水溯河而上,受两岸渐狭的江岸束缚,形成涌潮。河口底部因泥沙沉积而隆起形成的“沙堤”,更激起潮水上涌,形成雄踞江面的一道水墙,怒浪排空,如万马奔腾,十分壮观。
人们认识了海水按一定时间涨落的规律,就可以利用潮汐的能量,修建电站,提供无污染的能源。利用潮汐发电,在世界上已经比较普及,规模大小不等的潮汐电站,在世界各地都已有修建。法国朗斯河口的潮汐电站于1961年开始建设,1967年竣工,发电能力24万千瓦。我国在山东省乳山市等不少地方,也成功地修建了潮汐电站。
潮汐这一神奇的海洋现象,引出了古今中外许多美妙的神话传说,同时也引起了众多科学家研究探索的兴趣。我国是历史上研究、探索、揭示潮汐之谜的最早国家之一。在先秦文献里,就有潮汐的记载。东汉时期的著名哲学家王充,对许多自然科学问题有独到的见解。王充从小在钱塘江南岸长大,对钱塘大潮兴趣浓厚,多年的观察和思考,使他发现潮汐的涨落和大小,都与月亮的圆缺有关。他在著名的《论衡》一书中说:“涛之起也,随月盛衰,大小满损不同。”晋时的著名科学家葛洪,对潮汐现象也进行了长期的观察研究,在《抱朴子》一书中也明确写道:“海涛嘘吸,随月消长。”指出了潮汐现象与月亮有直接关系。唐朝的科学家窦叔蒙,有专门的著作《海涛论》。唐宋之后,不少科学家研制了“潮汐表”,精确地推算出来我国的大部分海区,尽管“潮”、“汐”的具体时间各地不同,但每日一潮一汐,总是间隔12小时25分,准确得就像天文钟表一样。
无风三尺浪——海浪
“无风三尺浪”,是人们对海洋的描绘。在广阔的海洋上,即使在无风的日子里,大海还在那里波动着。这是不是同“无风不起浪”矛盾呢?不是。
原来,海洋面积巨大,水量浩瀚,风虽然停了,大海的波浪还不会马上消失。何况,别处海域的风浪也会传播开来,波及无风的海面,因此,“风停浪不停,无风浪也行”,是海洋的普遍现象。在无风海区的海浪叫涌浪,又叫长浪。
比起有风的海区的风浪来,无风海区的涌浪一起一落的时间长,波峰间的距离大,波形长,有的波速还很大,能日行千里,远渡重洋。西印度群岛小安的列斯群岛加勒比海海岸的居民常常会发现高达6米多的激浪拍打岸边,这时加勒比海并没有什么风暴,似乎是个无法解开的谜。海洋科学家们经过长期的观察研究才发现,这是来自大西洋中纬地区的风暴传来的涌浪。
海上风暴所引起的巨浪,传到风力平静或风向多变的海域时,因受空气的阻力影响,波高减低,波长变长,这种波浪的传播速度,比在风暴中心的移动速度反而快得多。如果说风浪可以追赶军舰的话,那么,涌浪就可以同快艇赛跑了。因此,涌浪总是跑在风暴前面。人们看到涌浪,就知道风暴即将来临。“无风来长浪,不久狂风降”,“静海浪头起,渔船速回避”,这是我国沿海渔民的谚语,是观天测海经验的概括。
飓风和台风更会掀起涌浪。当台风风速同潮水波浪的推进速度接近时,会产生共振作用,推波助澜,把涌浪越堆越高。当大涌浪传到海岸时,由于岸边水浅,波浪底部受海底的摩擦,波峰比波谷传播得快,波峰向前弯曲、倒卷,水位猛烈上升,甚至冲上海岸,席卷岸边的建筑物和船只,造成灾难。
海底火山爆发和地震更会引起涌浪,这样的涌浪传播的速度更快了。1960年5~6月间,智利沿海海底发生了200多次大大小小的地震,5月22日下午爆发了新的强烈地震,波及15万平方千米地区,一些岛屿和城市消失了,全国1/3人口受到影响。地震又引起海啸,智利沿岸500多千米范围内,涌浪高10米,最高达25米,使南部320千米长的海岸沉进海洋中。5月23日,远隔智利的日本群岛东海岸平静安谧,尽管人们已经得到智利地震的消息,但人们认为智利“远在天边”,与日本无关。谁知20个小时后,排山倒海般的涌浪,远涉重洋到达夏威夷群岛、菲律宾群岛和新西兰,抵达日本群岛海岸。在涌浪袭击下,有1000多户房屋被卷走,2万万公顷土地被淹没,不少渔船被掀到了岸上。远离智利1.6万千米的堪察加半岛以东海面,也掀起了汹涌的浪涛。这是智利地震引起的海啸涌浪。它以时速800千米横渡太平洋,来到这些地方。
海浪对海上航行、海洋渔业、海战都有很大影响。海浪能改变舰船的航向、航速,甚至会产生船身共振使船体断裂,破坏海港码头、水下工程和海岸防护工程。
海洋暖流与寒流
1.海洋暖流
在季风的吹拂下,海洋表面的水沿着固定的方向流动,形成洋流。洋流又称海流,海流在风、海水密度等的作用下南来北往,川流不息,从而调节了地球上的气候。按海流水温低于或高于所流经海域的水温,洋流可分为暖流和寒流两种。
海洋上的暖流,就是大自然给人类安装的免费的天然暖气管道。凡流动的洋流,海水温度比经过的海区水温高的都称为暖流。暖流使空气湿润、雨量充沛,有利于植物的生长。洋流就像陆地上的河流一样,长年累月地沿着比较固定的路线流动。洋流遍布整个海洋,既有主流,也有支流,不断地输送着盐类和热量,使海洋充满活力。影响力比较大的暖流有墨西哥湾流和黑潮。现在我们就一一来认识它们。
墨西哥湾流是世界上第一大海洋暖流,它有一部分来自墨西哥湾,绝大部分来自加勒比海。当南、北赤道流在大西洋西部汇合之后,便进入加勒比海,通过尤卡坦海峡,其中的一小部分进入墨西哥湾,再沿墨西哥海湾海岸流动,绝大部分急转向东流去,从美国佛罗里达海峡进入大西洋。这支进入大西洋的湾流起先向北,然后,很快向东北方向流去,横跨大西洋,流向西北欧的外海,一直流进寒冷的北冰洋水域。
湾流蕴涵着巨大的热量,它所散发的热量,恐怕比全世界一年所用燃煤产生的热量还要多。由于它的到来,英吉利海峡两岸每1米土地都享受着相当每年燃烧6万吨煤所发出的温暖。
黑潮是世界海洋中第二大暖流。只因海水看似蓝若靛青,所以被称为黑潮。其实,颜色的变化是由于海的深沉,水分子对光的散射,藻类等水生物共同作用的结果,使黑潮好似披上黛色的衣裳。黑潮由北赤道发源,经菲律宾,紧贴中国台湾东部进入东海,然后经琉球群岛,沿日本列岛的南部流去,并于东经142°和北纬35°附近的海域结束行程。黑潮是一支强大的海流。整个黑潮的径流量等于1000条长江。
2.海洋寒流
海流就像陆地上的河流那样,长年累月沿着比较固定的路线流动着,不断地输送着盐类、溶解氧和热量,使海洋充满了活力。凡流动的洋流,海水温度比经过海区海水温度低的都称为寒流。与暖流一样,寒流也是世界海洋中海流家庭的重要成员,它作为寒冷海洋的使者,从高纬度或极地海洋流向中低纬地区,给所流经海域带来一片清凉的气息。
寒流与其所经过流域的当地海水相比,具有温度低、含盐量少、透明度低、流动速度慢、幅度宽广、深度较小等特点。在向中低纬度流动的过程中,寒流不断与周围海水混合交换,温度和盐度逐渐升高,上层密度变小,寒流水与当地水之间形成密度变化急剧的水层——密度跃层,这对水下舰艇活动影响较大。大多数寒流区域,沿岸都伴有上升流出现。丰富的深水营养被带到了上层,且含氧量高,因而这些区域是许多鱼类觅食生息集中的海域。