首頁 > 神祕的巨浪–南海內波
:::

神祕的巨浪–南海內波

在廣闊的南海,不時有一群群巨大的波浪在海面下通過,它們的波峰線長達200公里,波高有50層樓那麼高。它們神出鬼沒難以捉摸,多年來沒有被人發現。
 
 
 
什麼是內波

在兩種不同性質流體交界面上運動的波稱作界面波,在海上看到的浪,就是空氣與海水界面間運動的界面波。當流體內部密度垂直分布呈現層化構造時,流體層化界面受到擾動時也會出現波動,由於這種波發生在流體內部,因此稱作內波。市面上有一種玩具,在一密封的玻璃盒內,有兩層顏色略有差異的藍色液體(通常是油和水),液面上有一小船。搖晃玻璃盒時,液體表面會有波浪,而兩層液體之間也會產生另一種波動,這就是內波。

日常生活中最常見到的內波是大氣中的內波,例如天空中常出現滾筒狀排列有序的高積雲,便是大氣中的內波。大氣內波在上下運動時,氣流上升處大氣中的水蒸氣容易凝結與成雲,氣流下沉處則不易形成雲,即使已經有雲存在,也會快速消散,因此形成一道道中間透光的高積雲。

在河口處(例如淡水河河口)當河水緩慢地流入海水時,由於淡水比較輕會浮在海水之上,如果淡水與海水的界面受到擾動,也會在兩者的界面產生內波。航行在河口的船隻會因遇到河口內波的干擾,而減緩速度或停滯不前。

一般而言,海水的密度由海面向海底逐漸增加。因為接近海面的海水可以吸收太陽的熱,所以溫度較高,密度比較小。而大部分的海洋都很深,太陽光無法穿透到海底,因此海底水溫較低,又受到上層海水的壓力,密度就比較大。此外,海水的鹽度也會影響海水的密度,鹽度高的海水密度就比鹽度低的海水大。但通常海水的密度受溫度的影響遠大於受鹽度的影響。

在某些地區,接近海面的海水由於對流、波浪運動、碎波等作用的攪拌,使得接近海面處有一層海水,其密度相當均勻,一般稱為混合層。由於冬天風浪較大,會擾動到較深的海水,因此同一海域的混合層冬天會比夏天厚。某些海域海水密度在混合層與底層交界處會變化得非常快,海水分層的現象相當明顯。如果分層的界面受到擾動,就會產生海洋內波。

海洋內波的振幅與波長都比海面的風浪大得多。海面風浪的波高頂多 30 公尺,但目前所知世界上最大的內波—南海內波的振幅可以高達 150 公尺,約 50 層樓高。海面風浪周期約只幾秒到幾十秒,海洋內波的周期卻可長達好幾分鐘到幾十分鐘,比海面風浪長得多。這是因為空氣與海水的密度相差很大,而混合層與底層海水密度變化很小的關係。

看得到海面下的內波嗎

海洋內波在海面下運動,在海面上看得到嗎?答案是「可以」間接「看到」,但是必須在大潮期間且海面風浪不大的狀況下。當海面風浪不大,內波在海面下通過時,原本平靜的海面,在遙遠的地平線,每隔一陣可以看到一排白浪花由遠方傳來。當這道波浪傳到船邊,可以發現它約幾百公尺到數公里寬,最大波高約 1 公尺,波長約兩、三公尺,海面上到處是碎波,嘩嘩的碎波聲不絕於耳,像爐子上煮開的滾水。其壯觀的程度,稱為海上的錢塘潮也不為過。

雖然內波通過時會在海面上留下蹤跡,但如果海面風浪太大,還是會把它們掩蓋掉,這就是為什麼近10年來才在南海發現它的蹤跡的原因。內波在海面下運動,為什麼會在海面上留下蹤跡?這是因為內波運動時引起對流,內波向下運動時,把海水往下帶,就好像下面有一條排水溝,海面上的海水都會流向這裡,海面的小波浪都聚在一起,海面因而變得非常粗糙。相反地,當內波向上運動時,就像噴泉一樣,海水都由這裡往外流,海面的小波浪被拉平,因此這一帶海面比較平靜。

內波雖然在水面下運動,但仍然有機會由海面的現象間接偵測到。利用衛星合成口徑雷達(一種高解析度衛星雷達)及其他可見光衛星影像,就可藉由海面的粗糙度、反光的強度等,間接偵測到在水面下運動的內波。

海洋內波的特性

海洋內波大多由潮汐所引起,能量來自潮汐,因此在每月初一,十五大潮那幾天會比較明顯。小潮時,就不明顯或根本量測不到。

海洋內波有許多有趣的特性,從海面上觀察,通常一群內波由一連串七、八個波所構成,波與波之間的間隔由大逐漸縮小。也就是說同一群波,第一個波與第二個波的間隔最大,第二個波與第三個波的間隔小一點,依此類推。而波峰線也是第一個波的波峰線特別長,依次遞減。因此由衛星影像上看波峰線的排列,就可以明確知道內波傳播的方向。而一般深海的湧浪在衛星影像上是一排排等距的波峰線,無法由波浪的特徵推知波浪進行的方向。

在海面下,一群內波中也是第1個內波的波高最大,然後依次遞減。在深海的地方,混合層(上層)會比底層(下層)薄,理論上只有下沉型內波,也就是會發生向下運動的內波。相反地,當水深變淺時,如果混合層的厚度仍然不變,但底層已變薄,也就是混合層比底層厚時,就會產生上抬型內波,波會向上運動,它的方向與下沉型相反。

如果是非線性內波,還會有一個非常特殊的現象,就是當兩波交會時會有相位偏移。舉例來說,丟一顆石頭到池塘裡,池塘會產生一圈圈向外擴散的漣漪,如果在旁邊再丟一顆石頭,就會產生另一群漣漪圈圈。當兩群波相遇時,波高是相互疊加的,波峰相遇時波高會變高,而波谷相遇時波谷會更深,這是一般常見的水波。

但非線性內波(又稱作孤立子)的行為表現就完全不一樣。孤立子有粒子的特性,可看成是一顆球。試想兩顆球相撞時,其中一顆球並不會疊在另一顆球上,然後繼續向前傳遞,而是會相互彈開,或者可想像成兩顆球互相交換位置,然後繼續往前傳遞。非線性內波相會就是這樣的場景,其實自然界中還有許多波有類似的特性。

當深海的內波向淺海傳播,碰到大陸棚時,因水深變淺,內波會有頻散的現象。也就是說,內波會分解成許多波,以不同的速度傳遞。

南海的內波

雖然南海內波的存在由來已久,但是最近十幾年才引起海洋學家的注意。文獻記載在東沙島環礁北部、東北部及東部 20 至 50 海里的地方,曾發現不尋常的強流,偶爾也會遇到碎波形態的潮波。根據現有的知識評斷,這些現象應是內波引起的。由於這種由潮汐產生的波,出現的時間與地點並不固定,海面上的特徵又常被惡劣天候的風浪所掩蓋,因此相關資料並不齊全。

海洋學家很早就在南海放置錨碇量測南海的水文資料(如海流、溫度、鹽度、壓力等),但是為節省電力及受限於記憶體的容量,取樣的間隔比較長,十分鐘甚至半小時才量一次。因此就算內波通過量測點,也只能記錄到一、兩筆資料,無從捕捉到完整的內波。加上南海上空經常被雲層遮蔽,光學衛星很難有機會拍攝到神出鬼沒的內波。1977 年雖然有科學家由可見光衛星影像發現南海內波,但是並沒有受到注意。

直到 1990 年代初期,美國石油公司在南海探勘石油,當半潛式鑽油平台在作業時,遇到強流發生操作困難並斷纜,調查後發現強流是內波造成的,南海的內波才開始受到重視。之後由於有可以穿透雲層的衛星合成口徑雷達的幫助,才逐漸揭開南海內波的面紗。

研究人員把合成口徑雷達所發現南海內波的波峰線,描繪在南海海圖上以製作南海內波分布圖。他們推論南海內波是在呂宋海峽產生的,然後向西傳播。在深海的地方,一群內波所包含波的個數並不多,當內波碰到東沙環礁時,分裂成南北兩群內波。這兩群內波在東沙環礁西方會合後,繼續向西北進行,最後因碎波而消失不見。

研究人員另依據呂宋海峽衛星合成口徑雷達所拍攝的影像,發現內波的波峰線長達 200 公里,且波源可能不只一個。又從東沙環礁附近衛星合成口徑雷達所拍攝的影像,得知在深海內波波長約 4 到11公里,波高可以高達 150 公尺。他們也發現兩群非線性內波在東沙環礁的西邊會合,非線性交互作用的現象非常明顯。

由於東沙環礁附近水域深度迅速變淺,內波因而產生頻散作用,分解成許多波速不同的小波繼續向西北傳播。有些因底層變薄,由下沉型內波轉變成上抬型內波。

內波的重要性

海洋中富含營養的物質都會慢慢沉入海底,海面雖有陽光,若沒有充分的營養鹽供應,浮游植物仍無法藉由光合作用大量繁殖,也無法建立食物鏈而形成大型的漁場。但湧昇流會把深海的營養鹽帶到海面,因此大部分的漁場都在有湧昇流的海域,如祕魯的西邊有強烈的湧昇流,成為有名的大漁場。台灣北部也因為黑潮衝擊大陸棚形成湧昇流,造就彭佳嶼海域成為台灣北部重要的漁場。

內波運動及破碎時都會造成上層海水與下層海水的混合,對於局部地區營養鹽從下層海水移到表層有很大的貢獻。而營養鹽豐富的海域,浮游生物就多,能滋養魚群而成為漁場。

當內波通過時,在分層的上方及下方,海流的方向正好相反,若海中有結構物如鑽油平台的柱子等,在分層的地方就會受到非常大的扭力,且這扭力會隨混合層厚度變化而改變位置。緬甸及泰國西邊的亞德曼海,即 2004 年南亞大海嘯發生的地區,海底有豐富的油氣,美國石油公司曾打算開採,但由於內波的影響,終止了開發的計畫。因此在內波頻繁的海域從事海洋工程,內波的影響是必須考慮的重要因素。

在分層較明顯的海域,海水分層的界面可以想像成是一片半透明的鏡面,聲納發射的聲波,依聲波入射的角度會被折射或反射。而當內波通過時,這界面會隨時間而變動,就像一片柔軟的鏡面,使得聲波行進的路線相當複雜。因此在海水分層界面附近活動的潛艇,因聲波入射角較大,較不易被發現,潛艇偵測也就更加不容易。

然而在界面附近活動的潛艇,當內波通過時也具有危險性。因為潛艇會被內波帶得往下沉或向上升,潛艇的浮沉系統為補償內波所造成的升降,會讓潛艇朝相反的方向運動,但若操作不當就可能浮出水面或撞到海底,因此在內波活躍的海域,潛艇的操控的重要。由於在軍事上的重要性,各國都投入大量人力物力研究內波。

其他觀察內波的方法

除了從衛星上觀測內波之外,也可以由船上的雷達螢幕觀測到內波。但這些都只能看到內波在海面上留下的蹤跡,若要知道內波在海面下如何運動,就需要派遣研究船直接觀測,或在內波經過的地方投放錨碇,錨碇上須安置溫度計、鹽度計、壓力計、流速儀等儀器。在內波未通過時,等密度面幾乎平行於海面,當內波通過時,等密度面會跟著運動。前面已提到海水的密度受海水的溫度影響較大,因此可藉由觀察等溫面的變動,來觀察內波的運動。

此外,海中浮游生物會集體停留在海面下某一深度,利用船上的聲納可以測得牠們所在的位置。當內波通過時,浮游生物層也會跟著上下波動,利用船上的聲納觀測浮游生物層的波動,也能得知內波的運動狀況。

未來到東沙海洋公園參訪,說不定可以順道去看壯觀的南海內波,就像到宜蘭、花蓮去玩,順便坐遊艇到海上賞鯨豚一樣。但在目前,到南海看內波仍然是一件相當不容易的事。首先內波到達的時間要抓得準,其次天氣要好,海面風浪要小,否則不但受暈船之苦,還會一無所獲。

很幸運的,探索(Discovery)頻道對世界最大的內波—南海內波—也很有興趣,在去年夏天由國內海洋專家陪同到南海拍攝。也許不久的將來,就可以在家裡欣賞到精采的影片。事實上臺灣北部也有內波,分布在基隆北方及宜蘭外海,只是規模較小。若讀者有機會到臺灣北部海域海釣,或乘郵輪出遊,在大潮期間且風平浪靜時,很有機會在離基隆北方不遠,約 10 海里的地方,看到一波波翻騰的海水迎面而來。

深度閱讀
  1. 張中白(民94)大地彩虹—合成孔徑雷達,科學發展390,18 - 23
  2. 高家俊(民96)滔天巨浪,科學發展416,71 - 75
推薦文章