2017年11月27日

隱藏的詭異漩渦——海洋的渦流與沖刷

黃煌煇 / 國立成功大學名譽教授、行政院飛安會主任委員。

陳信宏 / 國立成功大學水利及海洋工程系博士候選人。



地球上,只要有流體流動的區間,都很容易偵測到渦流(vortex)的運動現象,例如冬天強烈的寒流吹襲下,一般人時常可看到大樓建築附近,有許多紙屑垃圾或樹葉旋轉漂浮飛揚,這就是渦流;平常大家登山活動,到瀑布附近水塘,插立著一塊警告標示寫著「此處有暗流,切勿踏入戲水」,因為瀑布水體沖下引發渦流,若不小心很容易捲入溺水。再者,如果你仔細觀察到枯水期間裸露的橋墩,這就是河水在洪水期間由於橋墩周邊的渦流運動產生的侵蝕(erosion)現象。至於佔有地球表面積達70.8% 的海洋,隱藏著許多詭異的漩渦。海岸附近亦存在許多的渦流,危及海洋結構的安全。因此本文將介紹海洋的渦流及其產生的各種效應,讓讀者有更深層的認識與瞭解。

海洋中的大尺度渦流
海洋中有許多不同尺度的渦流,包括幾公尺、幾公分、甚至幾公釐的小渦流,也有幾十公尺、幾公里、甚至幾十公里的中尺度渦流,當然也有幾百、幾千公里的大尺度渦流。作者曾經從衛星拍攝的影片看到大西洋、太平洋及印度洋海面上各有兩個南北反向的渦流運動,這些都是因信風吹送、地球自轉科氏力與地球陸地邊界影響引發的渦流,因此在海洋科學領域中特別稱之為「環流(circulation)」。





從美國加利福尼亞海流轉向西,寬幅約在8° N 至20° N,平行赤道流向臺灣東部(即為十分有名的黑潮),再北轉朝日本白令海、阿拉斯加,再南下加拿大海域接續加利福尼亞海流,稱為北太平洋環流。這個順時針方向的大尺度渦流,由於水流的旋轉運動,會吸納海上漂浮的垃圾與周圍的廢棄物,形成一大片雲狀漂浮廢棄物,被稱為太平洋的垃圾帶。日本311 大地震所產生的大量垃圾廢棄物,即順著北太平洋環流運動漂流至美國海岸附近,由此可見渦流運動的威力。而臺灣電力公司亦曾將火力電廠的媒灰丟棄至臺灣海峽,此煤灰順著此環流之支流飄送到日本,被日本海洋科學家發現,因觸犯「海洋投棄公約」而遭受控訴。其他相關的環流系統,若讀者有興趣可參閱相關海洋物理學書籍,以增廣見識。


圖一:港口外圍海潮流運動引發防波堤外側之渦流。


中尺度渦流的侵蝕與淤積
至於幾公里或幾十公里的中尺度渦流,很容易在海岸附近數十公尺水深的海域觀察到。在夏天的汛期(降雨量最大、最集中時期)雨季,作者看到巨量的降雨從上游順著河道直接沖入大海,由於射流(jet flow)效應,在河口兩側引發中尺度的旋轉渦流,而且將上游的土砂淤積在河口兩側,經年累月之後,就形成5、60 年前、臺灣西部海岸的海埔新生地。然而,日後由於河川上游增建許多水庫與山坡地保護工程,流至河口的土砂也日漸減少,導致早年淤積的海埔新生地又被附近的渦流侵蝕淘刷,讓海岸線逐漸退縮,甚至需要建構海堤保護。

再者,每個國家都會在適當的海岸地區建構港口,以利大宗貨物的吞吐運輸,然為維持港內水域的穩靜,港務工程單位都會經由研究決定設置興建防波堤,以防止波浪(尤其是颱風波浪與冬季風浪)侵襲港域。而此防波堤一般都會長達數公里,水深更達20~30 公尺。由於如此巨大的防波堤結構將會與海域附近流動的水流作用而引發中尺度的渦流,如圖一所表示。若是港口上游有河川入流,其攜帶的土砂,將逐漸淤積在防波堤上游側,而下游側防波堤,附近由於缺少沙源的補充,因而會產生侵蝕沖刷海岸,而需另加保護措施以維護海岸之安定。上述這種港口附近渦流運動與地形變化,在世界各國海岸都很容易發現,然在臺灣西部海岸,則以臺中港最具代表性。......【更多內容請閱讀科學月刊第576期】

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