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在海底流淌的河流

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。

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