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凹凸海平面是怎么形成的?

到过巴拿马的游客一定不会错过亲眼目睹“世界七大工程奇迹”之一的巴拿马运河的风采。

巴拿马运河像“桥梁”

到过巴拿马的游客一定不会错过亲眼目睹“世界七大工程奇迹”之一的巴拿马运河的风采。它的一个奇异之处在于,其大部分河段竟然高出海面近26米,船只通过运河如同通过一座高架的水桥,在太平洋一端升起近26米才能驶入运河,到大西洋一端之后则必须下降近26米才能驶离运河。巴拿马运河让船翻过了山越过了岭,从太平洋跨到了大西洋,所以巴拿马运河也有“世界桥梁”之美誉。

只是连通两个大洋,为什么不直接挖通巴拿马地峡而要费这么大的劲让河“翻山越岭”呢?事实上,巴拿马运河在开工之初,的确是打算直接挖通地峡的,但在100多年前的施工条件下,要把那些山体挖开,其工程量大到惊人。而且,还有一个更严重的问题摆在施工者面前,那就是,巴拿马地峡临太平洋一端的海面,其水位比大西洋一端高出几十厘米,而在高潮时更是会高出5~6米。运河一旦建成,由于两端落差大,河水流速极快,会对运河中航行的船只造成危险。于是,建设者只能将工程改建成如今的水闸提升式运河,让船只通过船闸上下通航。

很多人会想不明白,既然地球上的大洋都是连通的,为什么不同地方的海面还会有如此落差呢?为什么海水不是均匀的“铺”在地球表面?海面不“平”蕴含着大自然怎样的玄机?这还需要对各种自然地理因素一一剖析。

海平面其实很复杂

其实,海平面并是不平的,其高低起伏是很复杂的。只是由于人们在海洋上的视野有限,才以为海洋的水面似乎是平的。

20世纪60年代以来,根据卫星对地面重力异常测量等资料,科学家为人们展示了一幅令人惊奇的全球海洋水准面的画面。海面有“水山”、“水谷”,也有“漩涡”。日本东北部的海面要高出平均海平面78米;北大西洋凸出区域的海面,高出平均海平面61米;马达加斯加岛以南海面,高出平均海平面56米;非洲西部加纳附近海面,高出平均海平面31米。?

海面除了隆起的“水山”外,还有凹陷区域。印度洋马尔代夫群岛附近,海面低于平均海平面113米;在加勒比海,海面低于平均海平面68米;美国加利福尼亚以西的太平洋,海面低于平均海平面56米;在著名的百慕大三角区,海面低于平均海平面64米;新西兰东南部,海面低于平均海平面73米。此外,在巴西沿海和非洲佛得角群岛附近海面,也有隆起或凹陷15米左右的几个区域。由于海平面凹凸的变化在1000千米以上的广泛范围内逐渐变化,所以不容易被航海者察觉。

既然全球各地的海面不是一样平的,那么我们平时所说的海平面就不是指任意一个地方的海面了,而且所谓的平均海平面也是不存在的,因为海洋的表面从来也不会静止,是处于不停的运动状态,随着不同的纬度、洋流和潮汐变化而变化。因此,如何选取海平面是人为设定的,各国一般都有自己的标准,我国1987年规定将青岛验潮站1952年1月1日~1979年12月31日所测定的黄海平均海水面作为全国海拔的起算面。我国各地面点的海拔,均指由黄海平均海平面起算的高度。而英国的海拔基准面叫作纽林军事基准面,是指大不列颠岛西海岸纽林港在1915年至1921年间的平均海平面。许多国家有两个海岸线,如美国和印度,他们通常有两个或两个以上的基准面。

那么,如此起伏不平的海“平”面是怎么形成的?

水温和盐度的共同作用

我们知道,海水是含有盐分的,而不同海域所含盐分是不同的。温度高的海域海水的溶解度会比温度低的海域大,也就是说同样质量的海水中可以溶解更多的盐。在气温高、淡水补充少的海域,盐度的增加会更加显著。海水盐度变大之后,密度也会随之变大,水面便会稍微降低。

为什么海水密度大的海域水面高度会更低呢?地球上的海洋是现实生活中一个巨大的连通器,因为虽然其上部被陆地或岛屿隔开,但下部却是相连通的。那么哪片海域密度大,那片海域的水面便低。

一般来说,在地球上,南北纬30°附近的副热带海域海水密度会比较大,因为这些地方不仅气温高,而且终年少雨,导致海水蒸发量大于降水量,海水盐度很大,从而海水密度大。例如,红海位于副热带高压带附近,其海水密度是地球上的海洋中最大的。在苏伊士运河开通前,海水通过地面渗透和地下水作用,已经基本具有连通器效应,红海的海平面低于地中海的海平面。苏伊士运河开通后,这个连通器效应更加明显,导致红海的水平面更加低于地中海水平面。

而在连接大西洋和地中海直布罗陀海峡两侧,地中海海水的水位要比大西洋的偏低,因为地中海地区夏季受副热带高气压带的控制,降水量小,蒸发量大,再加上流入地中海的河流较少,地中海海水的盐度比大西洋高、密度大。由于海峡两侧水位的偏差,海水在直布罗陀海峡形成了密度流,在水面至400米深处海水由大西洋向地中海流,而400米以下海水由地中海向大西洋流。二战时期,德国潜水艇就曾利用密度流躲避盟军设在直布罗陀海峡的雷达监测,多次进出地中海。德国的潜水艇在潜出地中海时,关闭发动机,降至海面以下比较深的地区,顺着洋流流出地中海到大西洋;而从大西洋回到地中海的时候,又将潜水艇升到比较浅的地区,关闭发动机,顺着表层洋流再流回到地中海。这样就躲避了英美盟军的侦察。

巴拿马运河的两边连接着太平洋和大西洋,在运河的太平洋一侧,雨量十分充沛,因此,其太平洋一侧比大西洋一侧,每立方厘米的表层海水盐度要低约0.001克。因此太平洋一侧水面比大西洋一侧要高些,高度差大约在20~50厘米之间。

洋流带动了太平洋凹凸不平

洋流是海洋表面大规模的海水运动。全球大气环流所造成的盛行风常年吹拂海面,推动海水流动,并使上层海水带动下层海水流动,由此形成洋流。正常情况下,太平洋海面便是典型的“西高东低”,因为赤道以北的太平洋洋面长年吹东北信风,将表层海水带动起来,形成由东到西的北赤道海流;赤道以南洋面则受东南信风影响,形成东到西的南赤道海流。这两股海流让太平洋海面变成“西高东低”。

那么,巴拿马运河一侧的太平洋洋面为何又比较高呢?这是因为,太平洋的南北赤道流之间,海水将反向自西向东流动,以补充大洋东部因赤道海流带走的海水,从而形成一支自西向东运动的表层海流,被称为赤道逆流。太平洋赤道逆流分为两支,其中的北赤道逆流,是世界大洋中最强的一支赤道逆流。它从菲律宾外海直达巴拿马湾“寻根”,对巴拿马运河太平洋一端水位的升高起到了推波助澜的作用。而在巴拿马运河的大西洋一侧,海流沿着巴拿马北侧海域向外流向墨西哥湾,属于离岸流,使巴拿马运河大西洋一侧沿岸水域的水位降低。这也是形成巴拿马运河两侧的水位差的另一个原因。

全球气候并不是一成不变的,在某些年份,一些极端的气候事件会改变地球上空的气压,进而对盛行风的风向或强度产生影响。比如为人熟知的“厄尔尼诺”和“拉尼娜”现象。“厄尔尼诺”出现的年份,东太平洋气压下降,西太平洋气压上升。由于东西方气压差的减小使得赤道东风和东南信风减弱,此时中太平洋改吹西风。于是,太平洋东西两侧高度差减小,甚至变成“西高东低”。“拉尼娜”出现的年份情况正好相反,东太平洋气压升得更高,西太平洋气压降得更低,使得赤道东风和东南信风变得更强。太平洋东西部高度差将加大。

海底起伏,海面也起伏

我们知道,海底世界并不是平坦的,在海水的掩盖之下分布着高耸的海山、起伏的海丘、绵延的海岭、深邃的海沟,也有坦荡的深海盆地等海底地形。海底地形不同,同样会对海面高度产生不同的影响。一般来说,海底山脉所对应的海面高度会高,相反海沟、海盆等负地形所对应的海面高度会低。因为在地球外部,离地心越近,引力越大,海底地形相对高的地方,其上面覆盖的海水所受到的引力,小于地形相对低处海水所受的引力,从而其海面会较高。

科学家们使用雷达(无线电)高度计测量,发现在大西洋海面不同海域存在着高度差,甚至在美国南卡罗莱纳州和波多黎各岛之间比较小的海域内,也存在着高度差,这与海域内的地形有关。比如,同是大西洋海域,波多黎各海下是一片凹地,因而这一地区的海面就比周围地区明显要低;而巴西东部由于海下有一座3500米的海岭,所以这里的海面就比其他地区要高。

最近,中国科学家在海底地形对南海海面高度影响的研究中,利用美国普林斯顿大学的海洋模式,对陡峭、光滑、平坦和中间4种海底地形进行了数值试验后发现,在8°N以北的南海中部和北部深海海盆中,海面高度下降;在8°N以南的浅水区中,海面高度上升。这次研究同时发现了海底地形还会对海水温度产生很重要的影响,深海海盆区域是冷水区,海底山脉或丘陵区域则是暖水区,而海水温度通过对盐度的影响亦会对海面高度产生影响。

引潮力拉扯着海水

说到影响海面不平的因素,我们不能不提引潮力,引潮力是月球、太阳的万有引力和与之对应的惯性力的合力。而引潮力非地球之力所能控制的。海水在日、月持久的引潮力作用下海面周期性地升降、涨落与进退。

当月球运动到太阳和地球中间,三者呈一条直线时,地球上面对月球的一面同时受到来自太阳和月球的引潮力,此时海水的水位最高,为大潮;背对月球的一面受到的是离心力的作用,也形成大潮。太阳、地球、月球三者垂直时,太阳与月球引潮力对海水的影响最小,形成小潮;背对月球一面同样是由于离心力的作用,亦形成小潮。由于月球不停地绕着地球公转,且周期恒定,因而大小潮周期性出现。

在地球上看来,在引潮力作用下,以正、反垂点为中心的海水朝向和背向月球(或太阳)隆起,也被称为潮汐隆起,都是海面的向上升高;在距正、反垂点最远的地方,指向地心的引潮力使那里的海面下降,形成水位特低的地带。

潮汐现象的出现使地球上的海面高度节律性地变化,因此,在考虑全球范围内海面不平的现象时,不能不将潮汐现象纳入考虑范围。

多因素综合影响下的结果

引起海面不平的因素很多。目前普遍认为,在人为影响下,全球气候变暖,海平面正在上升,但事实上,就像海平面高度会变一样,地壳也同样如此。某一点的实际海平面高度是如何变化的,要取决于全球海平面的变化值和当地地壳的升降值,两者综合计算后的数值才是我们需要的答案。地壳升降包括地质构造引起的地壳垂直升降、冰川、水、沉积物的均衡作用和地层压实作用等导致的地壳升降。因而不同地点由于地壳升降的不同,海平面的变化情况也不尽相同。相同地点的海面高度也不是一成不变的,还要随着季节的变化而变化。

众所周知,全球海面高度对于引航、导航、航空、地图制作、海洋图表和地质的研究是一项至关重要的数据,同时也是测量气候变化的重要依据。而海平面如此复杂的变化为测量带来了很多麻烦,要想对全球海面高度实现精准地测量是非常困难的。好在有了先进的全球导航卫星系统(GNSS),这个系统把美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统,以及相关的增强系统,如美国的WAAS(广域增强系统)、欧洲的EGNOS(欧洲静地导航重叠系统)和日本的MSAS(多功能运输卫星增强系统)等,全部汇合在一起,可以多层面、多模式地测量全球海平面,再将所得数据输入计算机,就可得到一张非常精准的全球海面高度图。

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