死水效应
北极遇险1893年的一天,“弗拉姆”号考察船正穿行在北冰洋巨大的白色冰山之中,由于没有风,四周一片寂静,只有当船只驶过时,平滑的海面才泛起道道涟漪。挪威探险家弗里德约夫·南森是这艘船的主人,他正准备向北极点接近,寻找传说中的“北极陆地”。突然,考察船似乎遇到了阻碍,速度明显慢了下来。船员们并没有偷懒,船也没有撞上冰山或海面浮冰,也没有遭遇到逆风,船就这样神秘地减速了!
接下来,南森还发现,他的船似乎被一种神秘的力量控制了,这种力量有时让船无法转向,有时会让船自动拐弯,在海面上划出一个大圆圈回到起点。在神秘力量的干扰下,考察船的航行速度比正常速度慢了1/4。许多船员对此感到非常恐惧,以为他们的航行惊动了北极地区神秘的水怪。好在这种力量似乎并不想让考察队永远地留在冰冷的海面,考察船还是能够克服神秘力量缓慢前行。过了一阵,当逃离那片古怪的水域后,船只的航行速度又正常了。
那种神秘的力量不止一次地干扰南森的考察船,有时在这片水域,有时在那片水域。南森既是一位科学家,还是一位经验丰富的北极探险家,他和别人一道探索北极,证明北极并不存在像南极那样的巨大陆地;他还在生物神经系统领域颇有研究。此外,当时世界主要国家组成了一个称作“国际联盟”的组织,类似今天的联合国,处理国际事物。南森因为在当时国际联盟中的优秀贡献,被授予了诺贝尔和平奖。就是这样一位学识渊博的科学家、社会活动家,也难以解释自己遇到的这个北极怪现象,于是他给这种现象起了一个名字,叫做“死水效应”。
死水不死为什么北极地区会出现死水效应?调查发现,北极地区并没有大型的水生动物,不存在什么“水怪”。所以,死水效应的解释可能还要从海水入手。
南森发现这种效应后,一些物理学家认为,死水现象也许与海水的盐度、密度有关。海水是咸的,密度也比淡水大;而冰川水其实是淡水,当北极地区的冰山融化时,产生的淡水的密度比海水低,如果环境安静无干扰,淡水会浮于海水之上,在一定时间内形成淡水水层。整个海水从海面到水底,也许会出现2、3层盐度、密度不同的水层。
如果船只突然碰到了密度很大的水体,行驶速度自然也就会慢下来。这个解释有一定道理,但是却无法解释为什么有时候船舵会不听使唤以及船只打转的情况。
最近,法国科学家试图在水槽中制造出死水效应,并揭示死水效应的奥秘。他们在水槽中制造了盐度、密度不同的水层,不同水层染上不同的颜色,并把电动玩具船放入水槽做实验。水槽中的水面十分平静,但是科学家发现,水下却并不平静,在两个水层的交界面上,会出现微微的波浪。而当玩具船在水面行驶并摇晃时,深层的水体被搅动了,一部分水被吸引到了浅层,填充玩具船产生的漩涡。随着船只向前行驶,这种水体的振荡越来越剧烈,交界面处的波浪也越来越大,甚至大到影响了船只正常行驶的程度。而此时,水面其实还很平静,可是波浪却在船下面产生了一个低压区,船到了这个低压区前行就比较困难了。法国科学家终于成功地在水槽中制造了死水效应,并发现这是由于水层的界面波造成的。
界面波我们知道,当风吹过水面时,水体会泛起波浪,从广义的理解,波浪就是一种界面波,界面之上是空气,之下是水,而波沿着界面传播,并有一定的振幅,出现波峰和波谷。其实,在水体中也会出现多个水层,它们之间存在着界面。
在北极水域,由于光照变化,露出水面的冰山的融化速度时快时慢,于是固态的水变成液态水并流入海水的量也就时多时少。海水的平均盐度是0.35%,密度比淡水要大。因此当大量的冰融化后,一时之间不会与海水混合,往往会在海水表面形成一个盐度很低的淡水层,和高盐度的海水之间形成了一个水面下的界面。科学家发现,有时水面下甚至不止出现一个界面,而是有数个界面。这些界面上同样会出现界面波。当水层界面波的振幅很大时,即使水面上似乎很宁静,但界面波也足以干扰船只的航行。
水层界面波的发现对科学家真正理解海洋很有帮助。比如一些在平静的海水中游泳的人会突然出现难以划动的意外,这其实就是死水效应造成的。此外,进入海洋的污染物是如何在海洋中扩散的?这是科学家希望了解的课题。而界面波的发现,让科学家知道了海水中的一种新的动力,对他们的研究将很有帮助。