科學家的時空背景

19世紀前以哈雷、佛雷爾為首的大多數科學家們,都認為海水的流動是由海上的風力所帶動的。雖然也有人嘗試用熱對流等原理,來挑戰這個傳統看法的正確性,但因沒有明顯觀察到相關現象的關係,所以"風吹而海水流動"的觀念,一直到19世紀末以前,仍是一直存在於世人的基本常識中,鮮少受到質疑。

科學家的經歷

艾克曼的肖像照。

圖片來源:www.britannica.com/biography/V-Walfrid-Ekman

1874年艾克曼(Vagn Walfrid Ekman)出生於瑞典國首府斯德哥爾摩(Stockholm, Sweden)。他的家族是知名的瑞典海上貿易世家 - "哥特堡的艾克曼家族(Ekman från Göteborg)",另外他的父親老艾克曼(Fredrik Laurentz Ekman)也是一名海洋物理學教授,因此可以說艾克曼從小就對海洋物理耳濡目染,並似乎冥冥之中,就注定走上海洋研究的路。

1893年艾克曼進入瑞典最古老的知名學府 - 烏普撒拉大學(Uppsala universitet)就讀物理系,分別於1896年和1899年獲得了學士及碩士學位,也在碩士畢業後繼續就讀同校的博士學位。艾克曼在這一路上的物理學習和研究,為他自己的數學和物理能力打下深厚的基礎,也培養了分析自然界中力學現象的敏銳直覺。

由於1897年艾克曼在烏普撒拉大學攻讀物理學碩士學位時,選修到了挪威籍海洋氣象學教授、現代氣象預報之父老畢雅可尼(Vilhelm Friman Koren Bjerknes)開授的流體動力學課,便開始對海洋的流體力學研究產生濃厚的興趣,因此之後的他投入了相關的研究,也成為了老畢雅可尼教授研究和教學上的得力助理。

圖 老畢雅可尼的肖像照。

圖片來源:www.en.wikipedia.org/wiki/Vilhelm_Bjerknes

科學家發現的問題

1901年老畢雅可尼教授的好友 - 挪威極地冒險家兼海洋生物學家南森(Fridtjof Wedel-Jarlsberg Nansen),在北極圈進行海洋調查時,發現格陵蘭東岸至西伯利亞一帶的浮冰和未開動的船隻,受海流推動而漂流的方向,居然和當時風吹向的方向並不相同。因此南森懷疑除了風力以外,還有其他的力或機制促成海流產生。不過,因為南森的物理和數學能力不足,所以找上了老友老畢雅可尼教授,希望他和他的團隊能著手研究這個問題以解開海流成因的謎團,老畢雅可尼教授在經過深思熟慮後,決定將這項重大的研究任務,託付給了艾克曼來進行。

圖 1893~1897年南森在北極圈探查範圍的地圖。南森原本是依據風向推測出,若依照海風吹動的海流而讓船隻漂流的話,可能從奧斯陸出發以後會在紅色虛線範圍處漂流,直到回到奧斯陸,但實際上南森出發以後卻發現海流流向並不符合預期,所以實際上只在如圖中綠色實線所示的、西伯利亞到格陵蘭東岸間漂流,也因此從該地區的浮冰以及他們所乘的船隻的漂流方向,發現了海風與海流流向並不會一致的現象。(從塗上可以看出,實際的航路比南森預期的航路向東(/右)偏了許多)

圖片來源:www.yumpu.com/en/document/read/25019752/the-inspirational-life-of-fridtjof-nansen

圖 冒險家南森的肖像照。

圖片來源:www.en.wikipedia.org/wiki/Fridtjof_Nansen

艾克曼以及他所屬的老畢雅可尼教授團隊,以及冒險家南森等人再經過研究後發現,北極圈斯德哥爾摩一帶的浮冰和並未開動的船隻,在受海流影響而緩緩漂流時,它們的漂流方向居然會和當時所吹的風向夾大約20~40度的偏角。這個現象是不符合哈雷等過去大多數人們所認為的、海流完全是產生自吹過海面上的風力的說法。

圖 南森與艾克曼等人所發現的、北極當地盛行風的吹拂風向,與鄰近區域的帆船和浮冰漂流方向的夾角示意圖之一。

圖片來源:www.oceantracks.org/library/oceanographic-factors/ocean-currents

圖 南森與艾克曼等人所發現的、北極當地盛行風的吹拂風向,與鄰近區域的浮冰漂流方向的夾角示意圖之二。

圖片來源:www.ess.uci.edu/~yu/class/ess228/lecture.10.ocean-circulation.2017.pdf

艾克曼等人會認為這個現象奇怪的原因在於,因為如果海流完全只是由風吹動的力所產生的話,那麼海水流動的方向應該會是完全與風吹方向一致的,但是實際上海流的方向和風吹的方向之間,卻會存在著不小的偏離角度差!

科學家的聯想與假設

艾克曼為解開海流流動方向的成因之謎,重新梳理了造成表面海流的一系列可能因素 - 首先,艾克曼聯想到了不管湖水還是海浪,總是在有強風吹送時,產生湖水的流動或是產生海浪,並且1919年德國理論物理學家佐普里兹(K. Zöppritz)所發表的海流流速與風速物理關係式中,也顯示了海流的流速與當時的風速呈正相關的研究結果,所以艾克曼認為推動海水流動而產生海流的主因,應該仍是當時在海面上出現的風吹動的力量,只不過還有其他的因素影響了海流實際上流動的方向。

當艾克曼思索著除了風力以外,還有可能影響海流流動方向的影響因子時,他突然聯想到了佛雷爾當年的風向研究結果中,曾指出風產生後吹送的方向,除了受到區域間的氣壓差異影響以外,還會再受到地球自轉的影響,使得風的吹拂方向不會與區域間的氣壓差完全一致;風吹動方向與高低氣壓的方向不一致的這個現象,與海流流動方向與風向不一致的情況類似,所以艾克曼認為海流同樣作為在地球上、大範圍流動的物質,應該也會出現和全球盛行風類似的、受地球自轉而導致的、流動方向偏移的現象。

艾克曼依著上述的一連串聯想,做出了一個假設 - 他假設因為海流的流動方向除了受到風力推動的方向影響,還會另外再受到地球自轉的影響,所以海流流動的方向才會與當時的海上的風向間,存在有不小的角度差異。

圖 水面受到風吹而產生的流動現象。

圖片來源:www.shutterstock.com/video/clip-2775395-wind-blowing-water-flowing-ripples

科學家的驗證方法與結論

艾克曼知道,如果他要證明他所做地假設是正確的話,他就必須要能夠證明全球海流的流動方向,應該都會與該位置的盛行風方向類似,除此之外,依照地球自轉對風向的影響,海流也會像風向一樣,因為受到地球自轉的影響,而讓北半球的海流會出現比當地、當時盛行風向,更朝向右邊偏移(順時針)的流動方向;並且也會讓南半球的海流會出現比當地、當時盛行風向,更朝向左邊偏移(逆時針)的流動方向。

艾克曼緊接著向身為海洋冒險家兼觀察家的南森教授,索取了他們的研究探險團隊在全世界蒐集到的海流流動方向數據,在整理了他們提供的資料,並比較了艾克曼他自己藉由力學與運動學計算出來的、理論上的海流移動方向後,他確實觀察到了:

1. 確實能從紀錄有全世界的海流流動方向和風吹動的方向的資料中看出 - 北半球的海流流向,相較於當地的盛行風而言的確都是向右方偏轉的;並且南半球的海流流向,相較於當地的盛行風而言的確也皆是向左方偏轉的。除此之外,艾克曼也確實調查到這些海流的流動方向,確實也都是與當時、當地的風吹方向夾了20~40度的偏轉角度。

 印度洋~阿拉伯海地區,冬(藍箭頭)夏(紅箭頭)兩季季風的吹送方向,以及冬夏兩季該區的海流流動方向(黑色細箭頭)。兩者方向上的關係之示意圖。

圖片來源:www.researchgate.net/figure/Maps-showing-seasonal-reversal-of-the-South-Asian-Monsoon-SAM-winds-and-associated_fig1_335781370

2. 此外艾克曼計算了,他在假說中提及的、風吹方向及地球自轉效應的影響下,會造成的海流流動方向,的確計算出了海水被風力推動後,會與當時的風吹方向呈45度左右的夾角。並且南半球的海流會向左方偏離,北半球的海流會向右方偏離。

艾克曼再參照了海洋力學研究中,一般會考慮到海底地形、陸地岩石及海水密度壓等等會造成的計算誤差,比較了他在上述實際觀察到的海流流動方向,以及理論計算的結果後,確定了實際上風向與海流的夾角會比計算出來的45度還要小,也就是說他們所觀測到的20~40度的夾角,有符合計算的結果,這也讓艾克曼成功地映證了現實的海流流動方向的。

圖 在風力及地球自轉的影響下,海流流動方向會與當時、當地風向夾45度以下偏角,並且南半球和北半球的海流與風向夾的偏角之偏轉方向,會相反的理論計算結果示意圖。

圖片來源:www.stream1.cmatc.cn/pub/comet/MarineMeteorologyOceans/ocean_currents/comet/oceans/currents/print.htm (圖中的中文註解為筆者所加)

艾克曼經過了觀察、假設一系列的驗證及從驗證中得到的實驗結果,得出了一項結論 - 表面的海水流動方向除了是由在海水表面吹拂的風力方向,以及地球自轉造成的偏轉效應一同決定的。因為高低緯度的海水都跟著地球一起自轉的關係,低緯度的海水向東的移動速度會比高緯度的海水來得快,所以當北半球的海水受到風的吹拂而從低緯度往高緯度流動時,會產生向右(東)的偏轉,而海水因為受到風的吹拂而從高緯度往低緯度流動時,海水則會產生向右(西)的偏轉;反過來說,當南半球的海水受到風的吹拂而從低緯度往高緯度流動時,會產生向左(東)的偏轉,而海水因為受到風的垂直而從高緯度往低緯度流動時,海水則會產生向左(西)的偏轉。因此海水的流動既會隨著當時所處的風向而改變,也會在地球自轉的影響下,時時與當時的風吹方向保持20~45度的偏角。

圖 海水在全球盛行風吹拂下,所產生的、流動方向各異的全球海流。從此途中可以發現,粗線箭頭所代表的、全球各地的盛行風,與細線箭頭所代表的、全球各地的主要洋流,幾乎都會夾有20~40度的夾角。

圖片來源:www.quora.com/Why-are-most-of-the-deserts-located-in-the-Western-side-of-the-continent?_escaped_fragment_=n=30

科學家造成的影響

1902年艾克曼在他的博士論文中,首次發表了他用以解釋表面海流及其流向成因的研究結果,並在稍以修正後於1905年以<地球自轉對海流的影響>(<On the Influence of the Earth's Rotation on Ocean-Currents.>)為論文名稱,發表在國際期刊上。在這篇文章的後半段,艾克曼還推測出在風力、地球自轉效應及海水分子間摩擦力等力的作用下,除了海水表面會出現海流外,海面下也會出現一個漩渦狀的海水流。而艾克曼在這篇論文中提出的這套理論,被後世稱作"艾克曼傳送流(Ekman transport)"。

雖然"艾克曼傳送流"這套理論,是北歐溫帶國家的艾可曼、畢可雅尼和南森等科學家共同研究出來的結果,但是這項理論中統合了風向與地球自轉等因素,對海流方向進行預測的結論,卻也在數十年後卻也被亞洲的氣象學家們,成功地用以解釋了位於副熱帶季風帶的臺灣,和位於亞洲熱帶季風帶的印度等國家,在冬夏兩季的周邊海域會因為東北風和西南風的變化,導致有不同的海流方向 。這個研究結果,使得漁民能夠成功判斷出什麼時候,大批的魚群會被海流帶到漁場中,並且也使得航運業者除了當時海上的盛行風以外,多了一向可妥善規畫航路的方式,因此可以說艾克曼對氣象預報科學、漁業及航運業等領域的發展,有著舉足輕重的影響。

圖 全球表面海流的流向。(紅色箭頭為暖流,藍色箭頭為涼流。此圖印度洋及阿拉伯海海域的海流方向,為冬季時的流向。)

圖片來源:www.databasin.org/datasets/d707c80bc307475cb7b465ee92520c12

圖 全球七月(夏季)與一月(冬季)的各地盛行風圖。

圖片來源:www.transportgeography.org/?page_id=386

圖 艾克曼在他的論文中所預測的,由風力、地球自轉效應和海水分子間摩擦力共同的合力,形成的海面下渦狀水流示意圖。

圖片來源:www.mvuescience.weebly.com/ekmans-transport-lab.html

圖 臺灣的冬夏兩季系風風向示意圖。

圖片來源:www.mail.tlsh.tp.edu.tw/~t127/claimatetw/c05.htm