4.洋流：海里的河流

海水并不是静止不动的，而是以每小时1到10km的速度流动。洋流指的是一股流动的水流，它的移动速度明显快于相邻的水流。与陆地上的小溪不同，洋流并不在一个明确的物理通道内移动。

但是，由于洋流将水从一个环境输送到另一个环境，温度和盐度可能会在洋流的边界上发生变化，使其在卫星图像上可见。洋流在海洋中有两层：表层洋流只影响100到400m以上的水域，而深海洋流影响很深的水域，甚至可能使水沿着海底流动。

墨西哥湾流是一种将温暖的海水沿美国东部海岸向北，然后横跨北大西洋的洋流。颜色代表地表水温

4.1表层流

4.1.1表层洋流的模式

在帆船时代，当船长们在规划欧洲和北美之间的航线时，他们密切关注水面水流的方向，因为有水流航行会明显地加速航行。例如，当它们想要从北美前往欧洲时，它们会向北航行，借道向东流动的表层洋流，如墨西哥湾流。

地球上的主要表层流显示出环状的路径，称为环流。环流在北半球是顺时针流动，在南半球是逆时针流动。如果水在一个环流中形成一个完整的循环，那么它的流动距离将超过10000km。洋流在流动过程中会形成的漩涡，这些漩涡的周长从几百到1000km不等。

美国宇航局的图片显示了许多涡流的存在，这些涡流比环流小。白线代表流动方向

值得注意的是，漂浮的碎片会被困在漩涡中心相对静止的水中。例如，北大西洋环流的中心聚集了一种被称为马尾藻的漂浮海藻，所以水手们称这个地区为马尾藻海。北太平洋环流的内部收集了大量漂浮的塑料垃圾和化学污泥，因此该地区被称为大太平洋垃圾带。

太平洋垃圾带

为什么会形成洋流？为什么它们会朝这个方向流动？表层流的产生是由于流动的空气和海面之间的摩擦作用。但是洋流所走的特殊路径取决于科里奥利力和压力梯度力这两种力的影响，以及海洋盆地的形状。

4.1.2风推水:摩擦阻力

一个移动的材料在界面上对另一个材料施加的力称为摩擦阻力。空气和水都是由分子组成的，所以空气对水表面的运动产生摩擦阻力，导致水运动。

在某些特定的区域，风在一个季节的大部分时间里倾向于以大致相同的方向(即盛行风向)吹。如果没有盛行风，表层洋流就不会形成，因为相反的水流会相互抵消。

4.1.3旋转球体上的偏转：科里奥利力

地球每天绕地轴自转一次，因此赤道上的一个点相对于地球外的观测者以每小时1670km的速度运动。由于地球的自转，海水一旦开始移动，就会偏离原来的直线轨道，并开始沿着一条曲线向另一个方向移动。

运动物体相对于下方旋转物体表面的偏转被称为科里奥利效应，以法国物理学家GaspardGustave de Coriolis(1792-1843)的名字命名，他首先解释了这一现象。

科里奥利效应的简化解释：地球表面所有点的角速度是相同的，线速度随纬度而变化

为了简单地描述导致科里奥利效应的原因，首先想象你正直视一个二维圆盘的顶部，就像一个游乐场的旋转木马。如果一个球从圆盘的边缘扔到圆盘的中心，或者反之，会发生什么?

A：首先想象圆盘静止不动，你从中心把球扔到边缘的目标上。球沿与半径平行的直线运动，击中目标。

B：现在想象圆盘逆时针旋转，你再一次把球从中心扔向边缘的目标(一个绿色矩形)。从静止的圆盘外观察者的角度来看，球仍然沿着一条直线运动。

由于惯性，除非受到外力的作用，否则物体必然会沿直线运动。但是当球朝向篮筐时，目标会移动，所以球不会击中目标。因此，从一个坐在目标上并与旋转圆盘一起运动的观察者的角度来看，球似乎偏转到它的右边，并沿着一个弯曲的路径。

C：现在想象你把球从圆盘的边缘扔到圆盘的中心。当球被发射时，它不仅在你瞄准的方向上有运动，而且由于圆盘的旋转也有运动。

因此，从一个静止的圆盘外观察者的角度来看，它沿着一条直线到达圆盘中心右侧的一点。但是从与目标一起运动的观察者的角度来看，它向右偏转并沿着弯曲的路径运动。

我们可以把这些思维实验应用到旋转的地球上。如果你想象你正在俯视北极，这样你就可以看到北半球，地球看起来就像一个旋转的圆盘，经线看起来像车轮上的辐条，而纬度线看起来像圆圈。

现在让我们旋转地球，这样我们就可以从侧面观察它。如果你在北半球从北向南发射弹丸(如炮弹)。当弹丸朝南时，它向东移动的速度比下面的地球慢，所以从下面地球上的观测者的角度来看，它似乎偏转到右边。

如果你把物体向北发射，从低纬度发射到高纬度，物体不仅向北运动，而且向东运动。因此，一旦它向北移动了一段距离，它向东移动的速度就比地球下面的速度快，因此，相对于地球下面的一点，它就向右偏转(向东)。如果在南半球重复这个实验，最初朝向南方的物体将偏转到左边(东方)，而最初朝向北方的物体将偏转到左边(西方)。

科里奥利力导致在北半球运动物体向右偏转，南半球向左偏转

​ 所有运动的物体都有惯性，所以从我们前面描述的角度来看，科里奥利效应一定是由于某种看不见的力的推动，因为只有外力才能使运动的物体偏离它最初的直线路径。物理学家把引起偏转的力称为科里奥利力。

它具有以下特性：北半球偏右，南半球偏左；它影响物体穿过地球表面的方向，但不影响物体的速度；力的大小随物体速度的增加而增加；它在赤道的值为0，在两极的值为最大值。

虽然我们上面的描述提供了科里奥利效应的视觉图像，但它并没有提供一个技术上正确的解释。例如，一个旋转圆盘的类比并不能解释为什么物体会发生偏转，即使它们的初始运动是正东或正西。

在地球上，物体无论移动的方向如何，都会受到科里奥利力的影响，除非它们一开始就与赤道完全平行。因此，一个物体在没有其他力作用的情况下保持足够长的运动时间，它会沿着一个称为惯性圈的圆周运动，并最终回到它开始的地方。

惯性圆的直径取决于物体的初始速度和纬度：惯性圆越靠近两极就越小。对科里奥利力的一个更完整的解释解释了惯性圈，它反映了作用在一个物体上的重力和离心力之间的平衡。

图中的圆圈表示一个以140km/h速度移动的物体形成的惯性圈