分享本文至 E-mail 信箱

學術引用格式

MLA (點一下全選)

APA (點一下全選)

EndNote(.enw)

海洋下的風暴:南海巨大內波生命史

圖片12

圖/楊穎堅提供

台美雙方長期合作海洋科學計劃,歷時15年透徹解析了南海內波生成、傳遞、變形、破碎、翻轉到消散的「生命史」,研究成果刊於521期(5月7日)的國際知名學術期刊《自然》(Nature),論文有來自台韓法美25單位的42位共同作者,其中8位為台灣學者。以往過去內波相關研究多偏重於現象觀察,此為首次解析內波完整的周期與樣態,也改寫了海洋學教科書。

足足50層樓高的南海內波

內波(internal wave)是一種因海水密度垂直分層而引發的波動,發生於海面下。近海面處的海水因對流、波浪運動等「攪拌」,形成密度均勻的混合層,但繼續往下,海水密度受溫度鹽度影響而分層明顯,分層界面受到擾動便產生內波。就像常見的一款玩具,密封玻璃盒內有兩種液體,小企鵝漂浮於藍色液面,搖晃時,液體表面和液體之間皆會產生波浪。

台菲之間的呂宋海峽中,南北向的恆春海脊與巴坦海脊相隔約一百公里,高度也相差不遠(分別為2500公尺與2000公尺高),在此特別的環境條件下,造就了振幅達150公尺的巨大內波,台大海洋研究所教授詹森形容:「這像是波浪的腳打結,自己絆到自己。」波浪行經兩個海脊,連續絆了兩次而堆高振福。台大海研所助理教授張明輝解釋,其他地區如美國、大西洋、泰國與緬甸西邊的安達曼海,內波振幅平均只在50公尺左右,南海內波是目前已知全球最大的內波。

圖片10

南海內波剖面圖。photo:Alford et al., 2015, Nature

圖片13

南海內波示意圖,圖中建築為127.4公尺高的台電大樓。圖/楊穎堅提供

據團隊研究,南海內波在兩個海脊之間生成,往西行進至東沙臺地,因深度變淺、波速變慢才變形、破碎、翻轉而消散,影響範圍約在北南海至東沙之間400公里,內波從生成到消散約兩天半。

南海內波可使海水在數分鐘內下沉超過150公尺,水溫驟變12℃以上。內波由潮汐引起,逢大潮時內波也較大,台大海研所副教授楊穎堅說,內波強度亦隨季節變化,春夏季節較大。

內波的影響

內波對海面上的船隻影響不大,但對水下航行與海洋工程的安全影響甚深,海中的結構物如鑽油平台底柱會受到強大的扭力而毀損;內波對生態影響則有好有壞,詹森說,內波會將深海的營養鹽與一些深水海洋生物帶到表層,利於浮游藻類光合作用,成員也觀測到鯨豚會追逐內波覓食;內波有時會將冷水往上推,南灣和東沙島海水均溫因而比大堡礁等地區低,珊瑚礁白化率也較低,壞處則是溫度過低可能讓珊瑚冷休克。

過去幾起潛艇事故也被懷疑是內波所為,潛艇突然被一股力量拉往深海而失事。詹森解釋,潛水艇一般航行於水深100公尺處,臨界深度為水下500公尺,超過此深度潛艇會無法承受水壓。當潛艇遇到內波,突如其來的密度變化會影響潛艇的浮力,潛艇可能失去浮力往下沉,加上被內波迅速往下帶,潛艇承受不住高壓而被擠碎,「整個過程只有十幾分鐘,潛水艇上的人來不及反應。」楊穎堅說。另一方面,內波具有軍事應用潛力,因其會折射聲波,若潛艇跟著內波航行,聲納無從發現潛艇行蹤。

內波不定時生成,不過楊穎堅說,既有觀測資料搭配衛星觀測,技術上已可達到內波預報。

圖片5

從衛星看南海內波。圖/楊穎堅提供

無心插柳的研究 「雜訊」躍身期刊論文

2000年初台美合作在東沙島附近作海洋聲學研究,探討聲音在海面下的傳播情況,儀器全數順利回收,豈知偵測所得數據雜亂無章,根本不能用,實驗失敗,團隊還發現海溫在十幾分鐘內降了12℃的怪象。後來團隊發現低溫與雜訊都是內波所致,「波動把儀器亂甩,弄出一堆噪音。」楊穎堅說,為了解決問題,團隊轉而探討內波,一路追著內波回溯到呂宋海峽,詹森笑說:「結果當時那些不要的『雜訊』變成我們現在登在Nature的論文。」

南海內波存在已久,但早年觀測資料不全,沒引起科學家注意。張明輝解釋,早期海洋科學家偏重觀測尺度較大的運動,十幾分鐘的內波置於十幾小時的觀測資料中相當於雜訊。直至1990年代美國石油公司在南海探勘石油,鑽油式平台作業中途遇強流而斷纜,調查後發現是內波所為,南海內波才漸受重視,但過去沒有科學家全程觀測過。

南海地區政治議題相當複雜,台灣的特殊政治地位提供學術單位些許自由空間進入南海作研究,15年來,台美雙方出動研究船於南海探測共計87航次。詹森負責數值分析,搭配衛星資料找出內波可能出現的「熱點」,被其他人戲稱為「在岸上遙控大家作實驗的人」,張明輝則為主導船上實驗的科學家,他說主要方式有為期幾個月的錨定或為期幾天的船測,放一串儀器測量溫度、鹽度、壓力與海流,也有利用水下滑翔機探測。

圖片8

張明輝說,內波來的時候可直接看到,因為內波會造成表面碎浪,研究船也配有雷達系統偵測內波。當內波來時,就把船移過去投放儀器。圖/楊穎堅提供

「出海就是在玩命」 船上生活實況

許多人對海洋懷著浪漫想像,真實的船上生活是如何呢?楊穎堅說:「在船上不打更,24小時作業!因為航次太難申請了,且出海每天都在燒成本。」而楊穎堅身為團隊領導人,必須時時掌握情況,不像其他人能輪班值勤。出海的風險也相當大,「許多人沒出過海,不清楚海洋研究過程,出海就是去玩命的。」詹森說,風浪大、暈船是家常便飯,還有許多突發狀況如機器故障、成員生病、遇鋒面,「有風浪我都不敢待船艙,寧可帶救生衣到上面,萬一怎麼樣起碼可以跳出去。」詹森說多年來研究最大感想是:「不要有人定勝天的想法。」

楊穎堅就有驚險經驗,海研三號出海半途突然沒電、不動了,張明輝補充:「船沒電代表你不能控制船,只能在海上隨波逐流,附近有陸地或暗礁撞上去就完蛋,是非常危險的事。」幸好後來船啟動了,但只能往前,無法轉彎或煞車,船長把船開近高雄港再關掉動力,請港務局派船把海研三拖進港。「當時從早上十點繃緊神經到晚上八點進港,壓力才卸掉,我掏個腰包請全船吃豬腳麵線收收驚。」楊穎堅回想時仍餘悸猶存。

圖片9

臺美內波研究團隊夜以繼日的於海研一號上進行探測工作。圖/楊穎堅提供

未來研究方向

「了解海洋的變動就能了解氣候的變遷。」詹森表示,內波對於數值模式的模擬結果有很大影響,但以往的全球氣候變遷模型都沒有納入內波。洋流運動與氣候變遷有緊密關聯,若把內波納入模擬,或許就能大幅精進電腦數值模式的可靠度。

內波有可能將冷水或溫水帶往海面,一些學者認為,某些巨大內波造成的海面溫度變化可能影響颱風強弱,不過這還只是個點子,有待未來研究。黑潮的樣貌也是團隊近年感興趣的研究題目,「用現在比較先進的儀器探測,發現黑潮根本不是以前課本上所學那樣,要重新研究。」

楊穎堅也說,內波觀測或許不能「直接地」支援海嘯或地震預報,但執行科學任務時所累積的技術與知識可以間接幫助其他海洋研究。

Glider

海研一號的研究人員正在回收水下滑翔機。圖/楊穎堅提供

延伸閱讀:科技大觀園〈神祕的巨浪–南海內波〉

你的行動知識好友泛讀已全面上線

每天有成千上百則內容透過社群與通訊軟體朝你湧來,要從混雜著偽科學、假消息、純八卦的資訊中過濾出一瓢知識解渴,在這時代似乎變得越來越難?

為了滿足更多跟我們一樣熱愛知識與學習的夥伴,現在我們很害羞也很驕傲地宣布,手機閱讀平台——泛讀 PanRead iOS 版和「泛讀」Android 版都上架啦!使用後有任何心得或建議,都歡迎與我們分享喔

立即下載 優質知識不漏接

 

 

 

關於作者

劉珈均

PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。