书城童书我的第一本环境科学探索发现
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第16章 重大发明、发现(5)

诺曼底登陆是人类历史上最大的多军兵种联合登陆作战的胜利。它宣告了欧洲第二战场的正式开辟,预示着第三帝国的灭亡已经提上了日程。

智慧人生

气象因素对战争胜败的影响之大,历来为人们所关注,致使有人发出“谋事在人,成事在天”的感叹。但通过诺曼底“气象战”的成败可以看到,其实谋事在人,成事败事也在于人。天气预报的“好帮手”

气象和人类的生存密切相关。一场暴雨或一次台风没有及时预报,就会摧毁一年的收成,甚至危及人们的生命。我国劳动人民从生产斗争的实践中很早就学会了通过观天察地来推测未来天气变化的本领。以后,气球和无线电探测仪器的出现,特别是现代的气象火箭把气象仪器送到了几百千米的高空,更使气象观测前进了一大步。但是,无论用气球、无线电设备,还是用气象火箭进行气象观测,都有局限性。例如,气球只能探测低空的气象状况;气象火箭只能得到一个地区的短时间的气象资料。此外,用气球或气象火箭进行气象观测,还受到地理条件的限制,许多人迹未到的地方的气象很难进行探测。而气象卫星的出现就弥补了上面所说的这些气象观测方法的不足,使人类的大气探测活动发生了划时代的变化。

近地气象卫星离地面的高度一般在1000公里左右,大约一个多小时就可以绕地球一圈。由于地球本身的自转,气象卫星一天24小时会有两次经过地球某一固定点的上空,一次在白天,一次在夜里。于是,地球上的观测点白天在某一时刻会像每天看到太阳那样重复看到气象卫星,所以人们叫它为“太阳同步卫星”。

气象卫星主要凭借电视摄像机和红外扫描辐射仪来实现对地观测。卫星上的电视摄像机开启快门后,会把图像信息转化成电信号存储下来,并发回到地面接收站上。红外扫描仪的使用原理也容易理解,因为任何物体都有温度,有温度就会有热量,热量之中有红外辐射,红外扫描辐射仪能够测出地面和云顶的热辐射量,并得到红外云图。

气象卫星的云图可以清楚地显示台风发展过程的全貌,及其移动的趋势、路径、强度等。预报员可以据此作出正确预报,最大程度的减少损失。气象卫星也能监测暴雨,在卫星云图上,一个个密集的白亮云区就是暴雨。对寒潮等冻害的监测,气象卫星也表现得得心应手,这是因为研究人员通过红外云图资料,能获得寒潮移动的方向和进程。气象卫星还能用于对干旱的监测,为防沙治沙作重要参考。除了这些作用之外,气象卫星还能够通过遥感技术对农作物长势、病虫害及冻害进行监测,甚至能够对灾害面积进行估计,对农作物收成作出估算。

气象卫星是怎么利用遥感信息资料进行估产的呢?原来,植物的绿叶是进行光合作用的基本器官。一般来说,植物叶面积越大,光合作用就越强,经济产量就可能越高,这是一种植物生理机制,这种生理机制反映的信息也就通过其反射光谱的不同波段反映出来。当作物叶子遭受干旱、病虫害时,叶片的含水量会减少,叶绿素减少,光合作用也相应减弱,此时叶绿素吸收蓝光、红光能力降低。同时,作物在不同的生长和发育阶段,由于叶片的叶绿素含量和内部结构不同,它们的光谱反映曲线也会不同。根据这种原理,气象卫星就可以捕捉到作物的生长情况,进而推算未来的收成。利用气象卫星遥感渔业资源的原理与小麦估产有所不同,应用气象卫星可以用红外遥感仪器测出海水表面温度,在绘出海水表层温度分布等值线图后,就可以根据鱼类生活规律与海水温度的关系来确定渔场位置,并绘成渔海况速报图。

自1960年第一颗气象卫星上天以来,世界上已经发射了许多类型的气象卫星。现在,在地球的上空,许多气象卫星日夜监视着地球上的风云变幻,不断地把大量的气象资料送回地面,极大地改善了长期天气预报的条件,提高了预报的准确率。可以说,气象卫星是理想的“高空无人气象站”,是人类进行天气预报的“好帮手”。

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自然界瞬息万变,恶劣天气往往是突如其来。在这种情况下,除气象卫星外,研究人员还需要综合运用气象雷达、闪电定位、微波辐射计及特高频风廓线雷达等先进的探测工具。气象卫星从太空向下探测,雷达则从下往上扫视,两者配合,才能做出准确的预报。大海中的“河流”

1856年,一些落难的水手在大西洋一个海湾的沙滩上发现一只奇怪的沥青球,沥青球里包着一只椰子壳,里面有一张画着各种符号的羊皮纸。经过翻译得知,这是一封信,它是从遥远的大洋彼岸经过漫长的历程,准备漂到一个美丽的岛国去的。不料,海浪却把它推上了沙滩。用“漂流瓶”传递信息,这在中世纪是经常发生的。那么,人们怎么会想到利用海水来传送信件的呢?原来,海水除了有波浪和潮汐运动以外,还有一种长距离的前进运动,科学家管它叫“海流”或“洋流”。

人们或许难以相信海洋中也有“河流”——海流。这是由于海流是在海洋内部进行,不易被人们所察觉的缘故。过去,航海家对海洋深部的情况所知不多,因此只注意到海水表层存在着洋流。海洋深处存在着潜流,其发现的历史不过百年。1951年,称雄海洋的美国进行了大量的海洋科学考察,其中一位年轻的海洋学者叫克伦威尔,他和同事们在太平洋的赤道海域进行鲔鱼生活习性及环境条件的调查。他们在玻璃浮子上挂着铅锤和若干鱼钩,然后串在一起,形成近20公里长的线状渔具。在白天他们把渔具投放到海面上,待到晚上才收回。根据以往常的工作经验,该海域的海流是向西流动的,布下的渔具理应向西漂流。然而,出乎意料的是,克伦威尔和他的同事布放渔具的一端沉到海洋深处,并一反常规地向表层海流相反的方向漂流着。克伦威尔以为自己没有放好渔具,收起来后,又重新布放,结果与上次完全一样。漂浮在海面的小船受海流影响,向西漂着,而沉入海中的渔具却向东漂去。

这个事件引起克伦威尔的研究兴趣。经过一年的探讨,克伦威尔断定在赤道海域的表层海流之下,还存在着一支巨大而稳定的逆向海流,即赤道潜流。1955年,德国海洋学家卫斯特在接近南美沿海1公里以下的深水层中,发现有一股流势特别惊人、由北而南的巨大潜流。这说明,不仅在赤道地区形成潜流,在海洋的其他位置也存在着巨大的潜流。随着科学技术的发展,人们借助精密的仪器和人造卫星等的帮助,已发现了12条大海流和几十条小海流。

海洋中的洋流,不管是表层的还是潜伏的,其规模与大陆的河流不可同日而语。洋流的宽度一般为100公里,最宽者达到500公里,最窄的也有50公里;长度少则1000公里,多则超过10000公里;厚度则在50米到500米。洋流的速度较慢,每小时只有1~2海里左右,最快的也就是5海里。但是,洋流的水流量却是陆地河流总流量的数百倍。

洋流形成的原因很多,也很复杂。按照其成因,海流一般可以分为风海流、密度流和补偿流。盛行风吹拂海面,推动海水随风漂流,并且使上层海水带动下层海水流动,形成规模很大的海流,叫做风海流;不同海域海水温度和盐度的不同会使海水密度产生差异,从而引起海水水位的差异,在海水密度不同的两个海域之间便产生了海面的倾斜,造成海水的流动,这样形成的海流称为密度流;当某一海区的海水减少时,相邻海区的海水便来补充,这样形成的海流称为补偿流。

在海洋运动中,海流对地球的气候和生态平衡有着重要的影响。海流可以分为暖流和寒流。若海流的水温比到达海区的水温高,则称为暖流;若海流的水温比到达海区的水温低,则称为寒流。一般由低纬度流向高纬度的海流为暖流,它能使本来生活在冰窟里的人们享受如春的温馨;由高纬度流向低纬度的海流为寒流,它可以使在酷暑中受煎熬的人们感到丝丝凉意。

除了影响气候之外,海流对渔业、航运等也有重要意义。在寒流和暖流交汇的海区,海水受到扰动,可以将下层营养盐类带到表层,有利于鱼类大量繁殖,为鱼类提供诱饵。这两种海流还可以形成“水障”,阻碍鱼类活动,使得鱼群集中,易于形成大规模渔场。世界四大渔场中的三个都是这样产生的。其中,北海道渔场是由日本暖流与千岛寒流交汇而形成的;纽芬兰渔场是由墨西哥湾暖流与拉布拉多寒流交汇而形成的;北海渔场是由北大西洋暖流与东格陵兰寒流交汇而形成的。

有些海区受离岸风影响,深层海水上涌,把大量的营养物质带到表层,从而形成渔场。世界四大渔场之一秘鲁渔场就是这样形成的。

因为海流总是循着一定的路线周而复始的运动,若能熟悉和掌握洋流运动规律并选择适当航线,既节约时间、节约燃料,又可减少事故。所以,很多国家的航运公司都认真研究洋流的运动规律,尽可能利用洋流助航。最著名的例子是美国爱友松公司聘请海洋气象局通过人造卫星测得墨西哥湾暖流的路线、流速、主轴位置等。该公司的轮船根据所获资料,在墨西哥湾暖流最大的流速区顺流向北航行,返航时则避开主流区,尽量靠近海岸南下,结果,1975年该公司的6艘海轮全年节约燃料12500多桶,折合36万美元。以后,该公司一直利用这条航线航行,取得了巨大的经济效益。

学科展望

海流的规模比起陆地上的巨江大川要大出成千上万倍,所以利用海流来推动涡轮机发电,为人们输送绿色能源,已经成为科技人员非常感兴趣的一个课题。科学家估计,海洋中所有海流的总功率高达10亿千瓦以上。海底“暖水管”的发现

在北美洲东南部边缘,有一扁圆形的海湾,因濒临墨西哥而得名墨西哥湾。它的东部与北部是美国,西岸与南岸是墨西哥,世界上第一大海洋暖流——墨西哥湾暖流就是以它的名字命名的。

墨西哥湾暖流又称“湾流”,它早在16世纪就已被发现了。但真正确定了它的走向,并为这条“海中河流”画出图的是曾发明避雷针、参加过起草美国《独立宣言》和《美国宪法》的大科学家和政治家富兰克林。

富兰克林从小就热爱海洋,父亲担心他的安危,千方百计地阻止他实现航海的愿望,先是让他当了印刷工。后由于富兰克林事业上的成功,于1737年被委任为费城邮电局的局长。在检查邮件海上运输时,他发现邮船从北美去伦敦航行时间短,而从伦敦返回时,同样的路程却多了两个星期的时间。这是什么缘故?于是富兰克林查阅航海日志,走访有经验的船长,发现这是由一股海流——墨西哥湾暖流造成的。去伦敦时是顺流而下,回来则是逆流而上,所以造成了时间上的差别。

为了更加清楚地认识墨西哥湾暖流,富兰克林乘坐邮船往返大西洋,沿途用木桶提水取样,不断测试水温变化,确定暖流的确切流向。他的表兄弟弗尔杰是一艘捕鲸船的船长。在表兄帮助下,富兰克林于1770年绘制出了被人称为“富兰克林—弗尔杰海图”的墨西哥湾暖流图,这是世界上第一幅有关墨西哥湾暖流的精确海图。

200多年来,富兰克林绘制的这幅海图引起人们的浓厚兴趣,许多人一直在寻找它。但直到1978年9月,美国一名海洋学家才在法国国立巴黎图书馆发现了这幅海图的两份副本。为什么在两百多年里,找不到富兰克林海图的原本?而在法国巴黎图书馆却发现两份副本呢?据专家们考证:当这份海图原本刚在伦敦印成时,适逢美国独立战争爆发前夕。为了不让英国皇家海军利用这幅海图迅速横渡大西洋去镇压北美人民,富兰克林忍痛将这份海图销毁,只留下了两份副本,交由巴黎图书馆收藏。美国政府为调查墨西哥湾暖流,曾专门设计了一艘以富兰克林名字命名的潜艇,用现代化仪器探测这股复杂而强大的水流,取得了大量的数据和资料。

现在的研究表明,墨西哥湾暖流并非完全起源于墨西哥湾,它的绝大部分来自加勒比海。当南、北赤道流在大西洋西部汇合之后,便进入加勒比海,通过尤卡坦海峡,其中的一小部分进入墨西哥湾,绝大部分是急转向东流去,从美国佛罗里达海峡进入大西洋。这支进入大西洋的墨西哥湾暖流起先向北,然后很快向东北方向流去,横跨大西洋,流向西北欧的外海,一直流进寒冷的北冰洋水域。

墨西哥湾暖流规模十分巨大,它宽100多公里,深700米,总流量7400万到9300万立方米/秒,流动速度最快时95公里/小时,200米深处流动速度约4000米/小时。墨西哥湾暖流水温很高,特别是冬季,比周围的海水高出8℃。刚出海湾时,水温高达27℃~28℃。据估计,墨西哥湾暖流携带的热水水量是世界所有径流总量的120倍,它每年向西北欧海岸输送的热量,每公里约相当于燃烧600万吨煤炭所放出的热量。它像一条巨大的、永不停息的“暖水管”,携带着巨大的热量,温暖了所有经过地区的空气,并在西风的吹送下,将热量传送到西欧和北欧沿海地区。由于它的到来,英吉利海峡两岸的土地每年享受着墨西哥湾暖流带来的巨大热能。如果拿同纬度的加拿大东岸加以对照,差别更为明显:大西洋彼岸的加拿大东部地区,年平均气温可低到零下10℃,而同纬度的西北欧地区可高到10℃。

墨西哥湾暖流所蕴藏的巨大热能早已引起了各国科学家的广泛关注。然而,充分开发和利用它积蓄着的热能,造福人类,至今仍是“纸上谈兵”,还有待科学技术的发展和人类驾驭自然能力的提高。

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世界第二大暖流是黑潮暖流,它自北赤道流出,一路经过菲律宾、我国东部、朝鲜、日本,最终到达加拿大西海岸。我国大部沿岸深受它的恩惠,闻名于世的舟山渔场就处在东海的这股暖流中。唐代的日本遣唐使返回祖国及中国高僧鉴真东渡日本传教,都利用了黑潮的强流漂泊过海。

秘鲁寒流创造的“奇迹”

在太平洋东部的赤道线上,有一群世界闻名的火山岛,名叫加拉帕戈斯群岛。该岛的自然景观与众不同,这里寒冷干燥,树木稀少,呈现出一片酷似寒带的景观。人们在岛上漫步,甚至时常见到生活于南极洲地区的企鹅,在岛上大摇大摆地走动,此景仿佛使人置身于南极洲,所以人们也称加拉帕戈斯群岛为“赤道线上的南极洲”。在赤道地区,为什么会出现这块“冷岛”呢?原来,这是由强大的秘鲁寒流造成的。