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海平面真的是平的吗?  

2017-01-08 16:59:28|  分类: 人类智慧 |  标签: |举报 |字号 订阅

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出品:科普中国;制作:科学公民;

人们往往会认为,如果消除了波浪和高低潮汐的影响,海平面顾名思义将是一个平面,但事实真的如此吗?事实上,正如地球陆地表面高低不平一样,海洋的表面也不平。分布在世界各地的海洋表面都在以不同的速度发生变化。科学家通过测量发现,海洋表面有三个较大的隆起区域,一个在澳大利亚东北部海区,隆起高达76;第二个区域在北大西洋,隆起高度是68;另一个在非洲东南部,隆起区域高为48米。另外,地球上还有三个较达的凹陷区域,一个在印度洋上,凹陷深达112;第二个区域在加勒比海,凹陷深度为64;第三个区域在加利福尼亚以西,凹陷深度为56米。相关的卫星图片也显示,美国西海岸的绝对水位高于东海岸的水位。

严格来说,海平面的相关定义有全球海平面本地海平面以及相对海平面趋势等等。全球海平面指的是所有地球海平面的平均高度,我们经常提及的全球海平面上升指的就是全球平均海平面上升趋势增加。本地海平面是指沿海岸相对于陆地上特定点所测量的水位高度,通常是潮汐站所测量的当地海平面高度。而相对海平面趋势则反映了当地海平面随时间的变化趋势。这种变化趋势是诸多沿海数据应用中最为关键的一个,包括沿海测绘、海洋边界划分、沿海区域管理、海岸工程等都会用到这一指标。

那么让我们再回过头来,造成全球海平面差异的原因有哪些呢?在假设海平面没有任何波浪的情况下,科学家认为造成海平面差异主要有三个原因:

我们先从惯常所熟知的潮汐开始开始。正确理解潮汐对海平面的作用,也有助于解释另外两个原因。

每天随着月相的变化,潮汐力量也随着时间而对海平面产生影响。从定义上说,潮汐是地球上的海洋表面受到太阳和月球的潮汐力作用引起的涨落现象,会造成海洋和港湾口积水深度的改变。换句话说,就像牛顿万有引力告诉我们,行星的质量引起重力一样,来自太阳和月球的大量拉力作用在海洋,使得我们能够观察到海洋上的潮起潮落。

潮汐随着月球变化周期而发生变化。如图所示,当太阳和月亮在一条直线上时,潮汐力很大,我们可以将其称之为大潮(英文学术名spring tides)。特别是当太阳和月亮在一条直线且地球正好处于二者中间时,这是我们所看到的月亮是新月。而此时潮汐力也最大。当太阳和月亮就地球而言呈直角排列时,此时产生的潮汐较小,我们可以将其称之为小潮(英文学术名Neap tide

海平面真的是平的吗? - 二不小心 - 二不小心
海平面差异(单位:cm

引起海平面变化的第二个主要原因要相对复杂一些。地球并不是一个完美的球体或圆球其更近似于一个梨形。地球表面有凸起的山脉,也有凹陷的海沟。在广阔的海洋中,海底的地形也是十分复杂的,它不仅分布有巍峨的海底山脉、平缓的海底平原,而且还有许多陡峭的海底深沟。由于受海底地形的影响,一个海区的海面会低于或高于另一个海区几米、甚至十几米。科学家们使用雷达高度计测量结果发现,在大西洋海面不同海域都存在着高度差,甚至在美国南卡罗里州和波多黎各岛之间比较小的海域内,也存在着高度差。一般来说,海底是一座山脉的地区,海面就比其他海域高一些;而海底是一个盆地的地区,海面就比其他海域要低一些。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的低;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。

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而从另一方面,凹凸不平的海底中蕴含着铁镍和其他重物质组成的大量沉积物。所有这些物质的存在不仅使海底地形或地球表面凹凸不平,也会使地球不同之处的质量差异很大。这种物质的积聚,可以使其表面引力弯曲,从而形成一种动力,驱使海水离开一个地区而流向另一个地区。如果我们回来考虑潮汐的原理,海水本身也有质量,根据伟大牛顿同学发现的万有引力定律,其也会受到其他质量物质的吸引。也就是说,更多质量的水将被吸引到地球上相对质量或密度更大的区域的区域。这时你也许会问,海平面的从有很大的差异吗?也许你会不相信,但事实是经过测试海平面的高差高达90米。
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而且这一数字还将在未来几个世纪发生改变。在全球变暖的影响下,在格陵兰岛和南极洲的巨大冰盖都会融化。这些漂浮在海洋上的巨大冰川融化成的水将在全球范围内的海洋上重新分配其质量。但我们也不需要恐慌,这一过程需要几百年甚至上千年的时间。在这一渐变过程中,地球质量会被重新分配。而海水也将被吸引到质量相对较高的区域,从而改变海洋的相对高度。

而关于海平面差异的第三个原因纯粹是从观测角度考虑。想象一下,只是为了这个例证,我们在海岸边,有一根垂直的测量棒用来观测海的高度。这样想象一下,我们消除了所有的波浪和潮汐,将所有的因素化简。在一个世纪左右的时间里,我们记录的数据显示海平面上升了大约一米。但是同时观测点所在的土地也在发生变化,假设其在同一个世纪里向上移动了一米,或者说下降了一米,那么真实的海平面高度也会相应发生改变。

换句话说,如果海平面在一段特定时间内上升了3个单位,但是同时我们的观察点增加了一个单位,那么海平面就是增加了4个单位。虽然听起来有些复杂,但是事实上陆地上下移动的现象在世界各地普遍发生。例如在美国的黄石国家公园,火山活动导致陆地明显向上凸起。

另一方面,处于美国南部的新奥尔良却处于三个主要原因向下移动。首先,密西西比河沿岸的软淤泥随着时间的推移逐渐变得更加紧凑。此外,从上层泵送的地下水以及从更深层的巨大石油沉积物的移除导致地壳被压实,从而也降低了海拔。这将加剧对当地海平面变化的影响。

反观美国最北部(西北)的阿拉斯加目前情况正好相反。自冰河世纪以来,其陆地一直处于抬升当中。虽然当地冰川在不断融化,但土地向上移动的速度比海平面上升的速度要快。因此在当前时期,海平面似乎正在下降。而随着海平面上升速度的增加,本世纪后半叶阿拉斯加的本地海平面将处于上升态势,阿拉斯加海岸线也将观测到相对海平面的上升。因此这种观测基准变化也是造成海平面差异的重要原因。


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