论文部分内容阅读
在看似平静的海面下，有一些海底的河流在涌动，它们对跨海通讯是一大威胁。
在今土耳其境内，连接黑海和马尔马拉海的博斯普鲁斯海峡底下，流淌着一条神秘的河流。它有河岸，有激流，在有的地方，河面宽达1000米。如果它在地面上穿行，每秒的流量可使它成为继亚马孙河、刚果河、恒河、奥里诺科河和长江之后的世界第6大河。然而，定期往返于博斯普鲁斯海峡的船员，甚至都不知道它的存在。它在海平面下70米深处的海床上，从马尔马拉海静静地流向黑海，在大陆架上由浅到深，然后消失在黑海深处。
这条河没有名字，但并非绝无仅有。地球上还有大量纵横交错的水下之河在海底流淌，其中有一些长达数千千米，宽数十千米，深度也有数百米。它们是地球的动脉，是它们携带氧气和养料，将沉积物带到大海深处，哺育了深海的生物。此外，它们还在地球的碳循环中扮演着重要角色。
海底的河流威胁着跨海通讯
如果将海洋的水抽干，你会发现，海床上分布着一条条迷宫似的沟渠，它们就是水下之河流淌的“河道”。深沟的两侧则可看作是它们的“岸”。当然，虽名为水下之河，其实跟海水是连为一体的，只是因流速或者密度与周围海水不同，我们可把它看作自成一体的一条河流。今天的通讯公司，在铺设海底缆线时，都要事先勘察海床，以便避开这些水下之河，因为它们对于通信缆线是一大威胁。
我们并非一开始就知道这些河流的存在，通讯公司也并非一开始就知道它们的危害。在第一条横跨大西洋的电缆铺设成功之后近半个多世纪，一直都平安无事。直到一场地震，才让人猛然惊醒。
1929年11月18日下午，加拿大纽芬兰岛南部海域发生了一次7.2级的强震。这场地震震断了12条洋底电缆，使得加拿大沿海的通信一度中断。继之而来的海啸还造成了28人遇难。
起初，人们把电缆的断裂归罪于地震本身。一直到20年后，研究者才找到真正的元凶。两位美国地质学家分析了那次地震的数据，为我们还原了事情的起因和经过：在震中，地震使大约200立方千米的海底沉积物沿着一道海底斜坡塌陷下来，泥水混合物以每小时100千米的速度狂奔，在海床上犁出一条很深的沟渠；正是这股威力迅猛的海底浊流，而不是地震本身，将沿途的缆线一根根冲断的。
到了今天，这些由地震制造的水下之河，仍然在威胁着跨海的电缆、光缆。2006年，我国台湾南部海域的一场地震，就雪崩式地触发了一条海底的浊流，冲断了至少16条通讯缆线，使得大陆通往台湾、北美、欧洲和东南亚的互联网大面积瘫痪。
即使在浊流过后，这些由浊流冲出来的深沟里也不会平静。根据流体力学，水在狭窄处，比在宽敞处，总要流动得快些。所以，深沟里的水与上面宽敞洋面上的水相比，存在一个相对速度。这意味着，深沟里依然有水在流动。这些水流冲击着横跨的缆线，让它们不停地摆动，使它们磨损折寿。
更要命的是，浊流可能还会再来。当然，这需要借助强大的外力。这个外力可以是一次地震，也可以是堆积在两“岸”，因承受不起自身的重量而崩塌下来的沉积物。
外力还可以是一条流进大海的陆上河流。以刚果河为例，在流入大西洋时，它的河水中已富含沉积物，量之大，足可在流经的海床上刻出一条深沟，并由此制造出一条深入大洋的水下之河。同样的道理，黄河在冲入小浪底水库时，由于河水携带着大量泥沙，密度比水库的水更大，在水库底下，也制造出了这样一条水道。如果你在水库中央坐一条船，透过清澈的库水，就能俯瞰到底下浑浊的黄河。
科里奥利力的影响显现
这些水下之河既然如此重要，当然就值得我们研究。但遗憾的是，迅猛的浊流还很狡猾，拒绝被研究。任何仪器放置其中，都会被它一股脑儿摧毁。
不过，有一条河比同类友善，那就是博斯普鲁斯海峡下方的那条巨流。它不像大多数水下之河，裹挟的不是泥沙，而是咸水，密度比周围的海水大，从而使它沉到了海床上。这条河的构成虽和一般的海底浊流不同，但两者在动力学上并无二致。
2013年，英国地质学家皮卡尔率领的考察队，利用潜艇，第一次记录下了这条水下之河的详细数据。他们为自己的发现惊讶不已：首先，这条水道不是直的，而是如同一条响尾蛇一般扭来扭去。当然，陆上的河流也会根据地貌的不同扭来扭去，但是水下之河有这样的表现，则出于不同的原因。其幕后的操纵者不是地貌，而是科里奥利力。
从一个旋转的光滑圆盘中心（光滑意味着摩擦力可以不计），以一个初速度沿着径向滑出一物体。如果设想圆盘中心是静止的。站在圆盘外面的人看来，物体从一个静止的点出发运动，因没有摩擦力，所受合力又处处为零，所以它将保持匀速直线运动，其轨迹是一条直线。但在一个站在圆盘边缘，跟着盘子一起转动的人看来，其轨迹则是一条曲线。比方说，起初物体在你的前方运动，等圆盘转到另一个新的位置时，物体又在你的后方了。如果此人意识不到这是自己在转动的缘故，就会想：“这个物体在做曲线运动，可见一定受到什么力吧？”可是在他看来，这个力既不是摩擦力（摩擦力为0），也不是重力（重力只在垂直方向），他就只好假定一个无形的力来为物体的曲线运动负责。这个力就叫“科里奥利力”。科里奥利力的大小和方向跟旋转的角速度以及运动物体的速度有关。
因为地球以24小时一圈的速度在自转，我们自己又跟着地球一起在自转，所以，我们就像站在转动圆盘上的那位观察者：在我们看来，地表运动的物体都会受到科里奥利力的作用。对于在陆上运动的物体，比如汽车或者陆上的河流，因为相比重力，科里奥利力要小得多，可以不予考虑。但对于水下的河流来说，由于它们所受的周围海水的浮力，极大地抵消了其自身的重力，科里奥利力的影响就开始显现出来。
水下之河与地面河流的比较
为了研究水下之河的行为，皮卡尔在实验室做了一个模拟实验。他将一只2米长的水箱安放在旋转台上，并在水箱中灌满了水。在其底部，放置了一些海底沉积物，以模拟海床，注入一股高密度的盐水，以模仿泥泞的海底浊流。然后，以不同的速度旋转水箱，来模仿地球在不同纬度的自转，并观测这股盐水在“海床”中的流动情况。
他发现，当转速慢时，盐水还能保持直线流动，因此冲出的“河道”是直的；一旦转速加快，“河道”就开始扭曲了。正如我们预料的，通过受力分析，他证明这个现象的确可用科里奥利力来解释。由于在地球上，越接近赤道的地方，自转速度越快，所以，赤道附近的地下之河，比高纬度地区的水下之河，河道应该扭曲得厉害些。这一点被后来的调查所证实。
水下之河携带着从陆地来的有机物质，源源不绝地流向深海，在地球的碳循环中还扮演着重要角色。尽管这些有机物质一部分会被海床上的生物吃掉，但是其他部分却会被掩埋在海底，永远不会再进入大气——它们正是海底石油和天然气的主要来源。这为维护地球气温的稳定，立下了汗马功劳。
在今土耳其境内，连接黑海和马尔马拉海的博斯普鲁斯海峡底下，流淌着一条神秘的河流。它有河岸，有激流，在有的地方，河面宽达1000米。如果它在地面上穿行，每秒的流量可使它成为继亚马孙河、刚果河、恒河、奥里诺科河和长江之后的世界第6大河。然而，定期往返于博斯普鲁斯海峡的船员，甚至都不知道它的存在。它在海平面下70米深处的海床上，从马尔马拉海静静地流向黑海，在大陆架上由浅到深，然后消失在黑海深处。
这条河没有名字，但并非绝无仅有。地球上还有大量纵横交错的水下之河在海底流淌，其中有一些长达数千千米，宽数十千米，深度也有数百米。它们是地球的动脉，是它们携带氧气和养料，将沉积物带到大海深处，哺育了深海的生物。此外，它们还在地球的碳循环中扮演着重要角色。
海底的河流威胁着跨海通讯
如果将海洋的水抽干，你会发现，海床上分布着一条条迷宫似的沟渠，它们就是水下之河流淌的“河道”。深沟的两侧则可看作是它们的“岸”。当然，虽名为水下之河，其实跟海水是连为一体的，只是因流速或者密度与周围海水不同，我们可把它看作自成一体的一条河流。今天的通讯公司，在铺设海底缆线时，都要事先勘察海床，以便避开这些水下之河，因为它们对于通信缆线是一大威胁。
我们并非一开始就知道这些河流的存在，通讯公司也并非一开始就知道它们的危害。在第一条横跨大西洋的电缆铺设成功之后近半个多世纪，一直都平安无事。直到一场地震，才让人猛然惊醒。
1929年11月18日下午，加拿大纽芬兰岛南部海域发生了一次7.2级的强震。这场地震震断了12条洋底电缆，使得加拿大沿海的通信一度中断。继之而来的海啸还造成了28人遇难。
起初，人们把电缆的断裂归罪于地震本身。一直到20年后，研究者才找到真正的元凶。两位美国地质学家分析了那次地震的数据，为我们还原了事情的起因和经过：在震中，地震使大约200立方千米的海底沉积物沿着一道海底斜坡塌陷下来，泥水混合物以每小时100千米的速度狂奔，在海床上犁出一条很深的沟渠；正是这股威力迅猛的海底浊流，而不是地震本身，将沿途的缆线一根根冲断的。
到了今天，这些由地震制造的水下之河，仍然在威胁着跨海的电缆、光缆。2006年，我国台湾南部海域的一场地震，就雪崩式地触发了一条海底的浊流，冲断了至少16条通讯缆线，使得大陆通往台湾、北美、欧洲和东南亚的互联网大面积瘫痪。
即使在浊流过后，这些由浊流冲出来的深沟里也不会平静。根据流体力学，水在狭窄处，比在宽敞处，总要流动得快些。所以，深沟里的水与上面宽敞洋面上的水相比，存在一个相对速度。这意味着，深沟里依然有水在流动。这些水流冲击着横跨的缆线，让它们不停地摆动，使它们磨损折寿。
更要命的是，浊流可能还会再来。当然，这需要借助强大的外力。这个外力可以是一次地震，也可以是堆积在两“岸”，因承受不起自身的重量而崩塌下来的沉积物。
外力还可以是一条流进大海的陆上河流。以刚果河为例，在流入大西洋时，它的河水中已富含沉积物，量之大，足可在流经的海床上刻出一条深沟，并由此制造出一条深入大洋的水下之河。同样的道理，黄河在冲入小浪底水库时，由于河水携带着大量泥沙，密度比水库的水更大，在水库底下，也制造出了这样一条水道。如果你在水库中央坐一条船，透过清澈的库水，就能俯瞰到底下浑浊的黄河。
科里奥利力的影响显现
这些水下之河既然如此重要，当然就值得我们研究。但遗憾的是，迅猛的浊流还很狡猾，拒绝被研究。任何仪器放置其中，都会被它一股脑儿摧毁。
不过，有一条河比同类友善，那就是博斯普鲁斯海峡下方的那条巨流。它不像大多数水下之河，裹挟的不是泥沙，而是咸水，密度比周围的海水大，从而使它沉到了海床上。这条河的构成虽和一般的海底浊流不同，但两者在动力学上并无二致。
2013年，英国地质学家皮卡尔率领的考察队，利用潜艇，第一次记录下了这条水下之河的详细数据。他们为自己的发现惊讶不已：首先，这条水道不是直的，而是如同一条响尾蛇一般扭来扭去。当然，陆上的河流也会根据地貌的不同扭来扭去，但是水下之河有这样的表现，则出于不同的原因。其幕后的操纵者不是地貌，而是科里奥利力。
从一个旋转的光滑圆盘中心（光滑意味着摩擦力可以不计），以一个初速度沿着径向滑出一物体。如果设想圆盘中心是静止的。站在圆盘外面的人看来，物体从一个静止的点出发运动，因没有摩擦力，所受合力又处处为零，所以它将保持匀速直线运动，其轨迹是一条直线。但在一个站在圆盘边缘，跟着盘子一起转动的人看来，其轨迹则是一条曲线。比方说，起初物体在你的前方运动，等圆盘转到另一个新的位置时，物体又在你的后方了。如果此人意识不到这是自己在转动的缘故，就会想：“这个物体在做曲线运动，可见一定受到什么力吧？”可是在他看来，这个力既不是摩擦力（摩擦力为0），也不是重力（重力只在垂直方向），他就只好假定一个无形的力来为物体的曲线运动负责。这个力就叫“科里奥利力”。科里奥利力的大小和方向跟旋转的角速度以及运动物体的速度有关。
因为地球以24小时一圈的速度在自转，我们自己又跟着地球一起在自转，所以，我们就像站在转动圆盘上的那位观察者：在我们看来，地表运动的物体都会受到科里奥利力的作用。对于在陆上运动的物体，比如汽车或者陆上的河流，因为相比重力，科里奥利力要小得多，可以不予考虑。但对于水下的河流来说，由于它们所受的周围海水的浮力，极大地抵消了其自身的重力，科里奥利力的影响就开始显现出来。
水下之河与地面河流的比较
为了研究水下之河的行为，皮卡尔在实验室做了一个模拟实验。他将一只2米长的水箱安放在旋转台上，并在水箱中灌满了水。在其底部，放置了一些海底沉积物，以模拟海床，注入一股高密度的盐水，以模仿泥泞的海底浊流。然后，以不同的速度旋转水箱，来模仿地球在不同纬度的自转，并观测这股盐水在“海床”中的流动情况。
他发现，当转速慢时，盐水还能保持直线流动，因此冲出的“河道”是直的；一旦转速加快，“河道”就开始扭曲了。正如我们预料的，通过受力分析，他证明这个现象的确可用科里奥利力来解释。由于在地球上，越接近赤道的地方，自转速度越快，所以，赤道附近的地下之河，比高纬度地区的水下之河，河道应该扭曲得厉害些。这一点被后来的调查所证实。
水下之河携带着从陆地来的有机物质，源源不绝地流向深海，在地球的碳循环中还扮演着重要角色。尽管这些有机物质一部分会被海床上的生物吃掉，但是其他部分却会被掩埋在海底，永远不会再进入大气——它们正是海底石油和天然气的主要来源。这为维护地球气温的稳定，立下了汗马功劳。