书城科普读物认识海洋系列丛书:海洋中无处不在的科学
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第5章 物理海洋

海洋形成说

海洋是怎样形成的?海水是从哪里来的?

对这个问题,目前科学还不能作出最后的答案,这是因为,它们与另一个具有普遍性的、同样未彻底解决的太阳系起源问题相联系着。

现在的研究证明,大约在50亿年前,从太阳星云中分离出一些大大小小的星云团块。它们一边绕太阳旋转,一边自转。在运动过程中,它们互相碰撞,有些团块彼此结合,由小变大,逐渐成为原始的地球。星云团块碰撞过程中,在引力作用下急剧收缩,加之内部放射性元素蜕变,使原岩浆中夹带的水汽遇冷凝结,地球表面开始有了水始地球不断受到加热增温;当内部温度达到足够高时,地内的物质包括铁、镍等开始熔化。在重力作用下,重者下沉并趋向地心集中,形成地核;轻者上浮,形成地壳和地幔。在高温下,内部的水分汽化与气体一起冲出来,飞升入空中。但是由于地心的引力,它们不会跑掉,只在地球周围,成为气、水合一的圈层。位于地表的一层地壳,在冷却凝结过程中,不断地受到地球内部剧烈运动的冲击和挤压,因而变得褶皱不平,有时还会被挤破,形成地震与火山爆发。开始,这种情况发生频繁,后来渐渐变少,慢慢地稳定下来。这种轻重物质分化,产生大动荡、大改组的过程,大概是在45亿年前完成的。

地壳经过冷却定型之后,地球就像个久放而风干了的苹果,表面皱纹密布,凹凸不平。高山、平原、河床和海盆,各种地形一应俱全了。地壳经过冷却定型之后,地球就像个久放而风干了的苹果,表面皱纹密布,凹凸不平,在很长的一个时期内,天空中水汽与大气共存于一体,浓云密布,天昏地暗。随着地壳逐渐冷却,大气的温度也慢慢地降低,水汽以尘埃与火山灰为凝结核,变成水滴,越积越多。由于冷却不均匀,空气对流剧烈,形成雷电狂风,暴雨浊流,雨越下越大,一直下了很久很久。滔滔的洪水,通过千川万壑,汇集成巨大的水体,这就是原始的海洋。

原始的海洋,海水不是咸的,而是带酸性、又是缺氧的。水分不断蒸发,反复地成云致雨,重又落回地面,把陆地和海底岩石中的盐分溶解,不断地汇集于海水中。经过亿万年的积累融合,才变成了咸水。同时,由于大气中当时没有氧气,也没有臭氧层,紫外线可以直达地面,靠海水的保护,生物首先在海洋里诞生。大约在38亿年前,首先在海洋里产生了有机物,先有低等的单细胞生物。在6亿年前的古生代,有了海藻类,在阳光下进行光合作用,产生了氧气,慢慢积累后,形成了臭氧层。此时,生物才开始登上陆地。

总之,经过水量和盐分的逐渐增加,以及地质历史上的沧桑巨变,原始海洋逐渐演变成今天的海洋。

大陆漂移说

早在1620年,英国人培根就已经发现,在地球仪上,南美洲东岸同非洲西岸可以很完美地衔接在一起。到了1912年,德国科学家魏格纳根据大洋岸弯曲形状的某些相似性,提出了大陆漂移的假说。数十年后,大量的研究表明,大陆的确是漂移的。人们根据地质、古地磁、古气候及古生物地理等方面的研究,重塑了古代时期大陆与大洋的分布。大约在2.4亿年前,地球上的大陆是汇聚在一起的,这个大陆由北极附近延至南极,地质学上叫泛大陆。在泛大陆周围则是统一的泛大洋。此后,又经过了漫长的岁月,泛大陆开始解体,北部的劳亚古陆和南部的冈瓦纳古陆开始分裂。大陆中间出现了特大陆漂移说的创始人——魏格纳提斯洋(1.8亿年前)。此后,大陆继续分裂,印度洋陆块脱离澳大利亚——南极陆块,南美陆块与非洲陆块分裂;此时的印度洋、大西洋扩张开始。到了6000万年前,已经出现现代大陆和大洋的格局雏形。以后,澳大利亚脱离南极北上,阿拉伯板块与非洲板块分离,红海、亚丁湾张开,形成现代大洋和大陆的分布格局。

大陆的漂移由扩张的海底也能得到证实。纵贯大洋底部的大洋中脊,是形成新洋底的地方;地幔物质上升涌出,冷凝形成新的洋底,并推动先形成的洋底向两侧对称地扩张;海底与大陆结合部的海沟,是洋底灭亡的场所。当洋底扩展移至大陆边缘的海沟处时,向下俯冲潜没在大陆地壳之下,使之重新返回到地幔中去。

大陆漂移的证据

从地图上看出,大西洋两岸海岸线弯曲形状非常相似,但细究起来,并不十分吻合。这是因为海岸线并不是真正的大陆边缘,它在地质历史中随着海平面升降和侵蚀堆积作用发生过很大的变迁。1965年,英围科学家布拉德借助计算机,按1,000米等深线,将大西洋两边缘完美地拼合起来。如此完美的大陆拼合,只能说明它们曾经连在一起。此外,美洲和非洲、欧洲在地质构造、古生物化石的分布方面都有密切联系。例如,北美洲纽芬兰一带的褶皱山系与西北欧斯堪的纳维亚半岛的褶皱山系遥相呼应;美国阿巴拉契亚山的海西褶皱带,其东端没入大西洋,延至英国西南部和中欧一带又重出现;非洲西部的古老岩层可与巴西的古老岩层相衔接。这就好比两块撕碎了的报纸,按其参差的毛边可以拼接起来,而且其上的印刷文字也可以相互连接。我们不能不承认这样的两片破报纸是由一大张撕开来的。

古生物化石,也同样证实大陆曾是连在一起的。比如广布于澳大利亚、印度、南美和非洲等南方大陆晚古生代地层中的羊齿植物化石,在南极洲也有分布。此外,被大洋隔开的南极洲、南非和印度的水龙兽类和迷齿类动物群,也具有惊人的相似性。这些动物也见于劳亚大陆。如果这些大陆不是曾经连在一起,很难设想这些陆生动物和植物是怎样远涉重洋、分布于世界各地的。

板块构造说

板块构造理论,是从海底研究得出的,是了解地球形态的一把钥匙。

地球表层是由一些板块合并而成。这些板块就像浮在海面的冰山,在熔融的地幔岩浆上漂浮运动。所谓板块构造,讲的就是这些坚硬的岩石板块以及它们的运动体系。地球表层主要有6个基本板块。板块坚如磐石,内部稳定,地壳处于比较宁静之中;而板块之间的交界处是地壳运动激烈的地带,经常发生火山喷发、地震、岩层的挤压褶皱及断裂。

板块构造示意图六大板块中,太平洋板块完全由大洋岩石圈组成;而大西洋由洋中央海底山脉分开,一半属于亚欧板块和非洲板块,一半属于美洲板块;印度洋,也由人字形的海底山脉分开,使印度洋洋底分别属于非洲板块、印度洋板块和南极板块。所以,这些板块是由大洋岩石圈及大陆岩石圈组成,包含了海洋与大陆。

板块为什么会运动?它的动力来自何处?目前的科学知识告诉我们,主要是地幔深处的热对流作用。地球深部的核心称地核,它是高温熔融的。它给地核外围的地幔加热,致使温度很高,靠近地核的岩层也熔化。地幔下部的导热性不能有效地将地核的热量散发出去,使热量积聚,致使地幔逐渐升高温度。地幔物质成为塑性状态,形成对流形式的运动。地幔的热对流是在大洋中的海底山脉(又称大洋中脊)处上升,沿着海底水平运动,到达大洋边缘的海沟岛弧带,经过水平长距离运动后冷却,而沿海沟带下沉,又回到高温的地幔层中消失。

板块构造层示意图由于地幔的对流运动,使得漂浮在它上面的板块也被带动做水平运动。所以,地幔的热对流是带动板块运动的传送带。板块从大洋中脊两侧各自做分离的运动。这运动的板块最终总会有相遇的,相遇时会相互碰撞。当大洋板块与大陆板块相碰撞时,由于大洋板块密度大而且重,就插到大陆板块之下,在碰撞向下插入处就形成大洋边缘的深海沟。假使是两个大陆板块相碰撞,则互相挤压,使两个板块的接触带挤压变形,形成巨大的山系。如喜马拉雅山系就是由于欧亚板块与印度板块挤压而形成的。因此,大洋底部的运动,形成大洋边缘岛弧海沟复杂的地貌,也构成大陆上巨大的山系。板块构造控制了整个地球的地表形态。

海底扩张时对流的地幔软流层

运动的海洋

大海的“呼吸”

“月有阴晴圆缺”,海有涨潮落潮,大海中的海水每天都按时涨落起伏,发生变化。古时,人们把白天的涨落称为“潮”,夜间的涨落叫做“汐”,合起来叫做“潮汐”。潮汐运动示意图潮汐现象使海面有规律地起伏,就像人们呼吸一样。海水涨起来的时候,只见那水头像骏马一般,从大海远处奔腾而来,转眼间水满湾畔,惊涛拍岸,发出雷鸣般的轰鸣,飞沫四溅。及至退潮,则别有一番景致。只见海水渐次回落,转瞬间,被海水覆盖的金黄色沙底、奇形怪状的礁石,都显露出来。

潮水为什么夜以继日、周而复始地运动着?是什么力量促使海水发生如此有规律的升降、涨落?我国古代不少科学家,经过长期观测,已经发现海洋潮汐现象与月亮的盈亏圆缺有密切的关系。潮汐是海水受太阳、月亮的引力作用而形成的。根据万有引力定律,两个物体之间都存在着相互吸引力;引力的大小,与它们的质量乘积成正比,而与它们之间的距离的平方成反比。

地球上各地的引潮力,随地、月之间的距离远近变化而变化,加上地球也不停地自转,引潮力也随时变化着。从而,各地在不同时间,有着各种不同大小的潮汐涨落。

潮汐规律示意图大海的“脉搏”

人有脉搏,医生通过人的脉象变化,能够诊断出病人的病情。大海也有脉搏,无论你什么时候见到大海,总能看到它在那里永不停息地波动着。波涛的起伏,多么像人的脉搏在跳动!根据大海的“脉搏”,不是“诊断”它的病情如何,而是能推知它的“脾气好坏”。在巨浪如山的时候,好像大海在“发怒”;微波荡漾的时候,似乎大海“心平气和”。千姿百态的波浪,反映着大海变化无常的复杂“心情”,也显示出它“巨大胸怀”的无穷力量。

波浪,又称风浪,因为浪是由风产生。波浪有多种类型,每一种波浪的类型、形成、传播方式不同,具有不同的特征。波浪“家族”的成员可按波长、周期分组。风浪的周期可在1~25秒、波长可在1~500米之间变化。波高是波谷与波峰之间的垂直距离,它是由三个因素决定的:风程(风吹过的距离)、风的持续时间和风速。

阵风吹过海面,对某部分海区的作用比其他部分强烈,因此产生水面形变,形成涟波;涟波迅速形成波,对风流产生影响,形成向风侧较强的推力和背风侧较弱的推力。风能一旦得到补充,它便可由一个波传给另一个波,最后形成波浪。

海面巨浪位于南北半球的中纬度地区的西风带,这里常年吹刮偏西风,风速又很大。在北纬40°~60°之间多为陆地阻隔,海上大风受此阻力,风速相应降低很多,而南纬40°~60°之间几乎全部为辽阔海洋,表层海水受风力的作用,也产生了自西向东的环流,由于常年吹刮西风,这个海区里风大浪高流急,航行的船只在这里犹如小球一样,被大浪不断地撞击,上下剧烈颠簸,险象环生。很多海员谈起南半球的西风带都为之变色。1991年我国“极地”号南极考察船曾经过那里,当时在船上的记者描述的情景是:“船于1991年3月6日航行到南纬55°处,遇到35米/秒的强风,浪高达20米,山一样的巨浪呼啸着从船尾滚滚而至,将船尾部盘结的粗缆绳全部打散,冲入海里。后甲板上由铆钉固定的1吨重的蒸汽锅被连根拔起,像陀螺一样在甲板上滚来滚去,后甲板的门也被巨浪冲破……”这段触目惊心的报道证实了西风带对船只带来了多么大的威胁和险象。

波形前进,皮球只是做了一个圆周运动。

西风带的风力为什么如此巨大和持久呢?这主要是由以下两个原因造成的。首先是地球自转对空气流动的方向起着主导作用,按大气环流总的结构,中纬度的气流是向极地输送。就是说,在北半球中纬度应为南风,南半球则为北风。但地球由西向东自转产生的偏向力,永远作用于前进方向的右侧,由此相应地把南风转变成西南风,北风改变成西北风。而偏向力是随纬度增加而增大的,在中纬度这个力的作用是不容忽视的,这是西风带盛行西风最直接的因素。其次是中纬度地区温差大,热量消耗也大,上下对流旺盛。

波浪的作用,给人们奉献了更多的实惠,反被人们忽视。我们在海水浴场游泳,在平展洁净的沙滩上漫步,躺在上面沐浴着阳光,多么惬意舒适。你可曾想过,海滩上这均匀的沙粒、光滑浑圆的石子,都渗透着海浪的辛勤劳作。是它,把大石块击碎,把粗石磨成细沙,日夜不息,年深日久,把泥土淘走,洗净沙粒,铺得平展展的,供人类享用。