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海洋中的洋流形成了一堵看不见的“水墙”，在漏油事故中保护了墨西哥湾的海岸。人们曾经认为，这些洋流是不可预测的，但科学家正在寻找一种揭开其神秘面纱的方法。

撰文：达纳·麦肯齐（Dana Mackenzie） 翻译：王东晓、李国敬 审校：虞左俊

实际上，情况并非如此糟糕，尤其是在佛罗里达州的西海岸。墨西哥湾沿岸的这部分海岸，在整个原油泄漏期内被一堵看不见的稳定屏障保护着。这条看不见的分界线在佛罗里达州西岸的大陆架上，它控制了原油的飘移方向，并阻止原油向更远的东部蔓延。这条分界线不是由什么固体实物组成的，而是一堵随着洋流移动的水墙。然而，这堵水墙能像任何海堤和围油栏一样，有效地阻止漏油向东蔓延。

科学家称这些看不见的水墙为“运输屏障”（transport barriers），其作用相当于陆地上的分水岭（分隔相邻两个流域的山岭或高地，分水岭两边的河水分别流向两个相反的方向）。这些水墙可以将其两边从不同方向流过来的海水分隔开。在混沌的海洋中，它们提供了一张线路图，告诉你海水会向哪里流。虽然在通常情况下，洋流的流向似乎完全无法预测，但运输屏障给了这些乱流一定的秩序和结构。

近些年来，关于这些洋流结构的研究已经得到了蓬勃发展，但其重要性还没能完全得到科学界的认可。不过，研究人员已经证实，他们的研究可以帮助解释，为什么墨西哥湾漏油事件中，海洋表面的原油消失得要比任何人预期的都快，以及为什么这些海洋表面的原油没有穿过佛罗里达海峡进入大西洋。如果未来再出现海上漏油事件，理解这些洋流结构能够提高清理工作的效率。这类研究也能够阐明血液流动如何影响动脉斑块（plaque）的形成，并有助于预测引起过敏的孢子如何在空气中迁移。

混沌（chaos）研究是在上世纪70年代兴起的。当时，科学家发现在某些自然现象中，即使微小的扰动也可能导致极大的变化。一个著名的传说是，一只蝴蝶扇动其翅膀，周围的气流可能因此产生细微的变化，这些细微变化可能会引起一连串越来越大的变化，以至于数周之后，在地球的另一侧引起一场龙卷风。

流动的流体——包括气体（如空气）和液体（如海水）——实际上是混沌系统（chaotic systems）的典型例子，并且是最常见的现象。从墨西哥湾暖流，到通过风力涡轮机的气流，再到足球比赛运动员中罚点球时踢出的弧线球，这些现象都受流体动力学支配。描述流体运动的数学方程组已经出现了近200年，这些方程最早由克劳德－路易斯·纳维（Claude-Louis Navier）和乔治·斯托克斯（George Stokes）分别在1822年和1842年提出。然而，给出方程是一回事，解方程则是另外一回事，纳维—斯托克斯方程组目前仍然是最具挑战性的数学问题之一。

原则上，纳维－斯托克斯方程组的一个精确解能详细预测流体的未来状态。但是，这个解的精确性，将取决于你对当前状态的了解——或者用科学家的术语来说，取决于初始条件。事实上，你永远无法知道海洋中每一个水分子会向哪里移动，在混沌系统中，任何不确定性都会随时间呈指数增长——就像传说中的蝴蝶效应那样。这样，你的纳维—斯托克斯方程组的精确解将很快变得没有任何实际意义。

然而，“混沌”并不意味着“随机”或“不可预测”，至少在原则上不是这样。在过去的大概十年里，数学家创造了一个理论框架，来理解具有持久性的流体结构，例如隐藏在混沌流体中的运输屏障。现任职于瑞士联邦理工学院的数学家乔治·哈勒（George Haller）在2001年给这些结构起了一个相当拗口的名字，“拉格朗日相干结构”（又称拉格朗日拟序结构， Lagrangian coherent structures，LCS）。哈勒为这些复杂的结构取的另一个名字，或许更有诗意一些：“湍流的骨架”（the skeleton of turbulence）。一旦你确定了流体中的这些结构，你就能够做出有效的中短期预测，例如预报洋流会将某个物体带到哪里，甚至不需要知道纳维—斯托克斯方程组的精确解。

那么，运输屏障看起来像什么呢？其实，它就像一个香烟的烟圈。烟圈的环本身就是一个吸附性的线状拉格朗日相干结构——烟雾颗粒就好像被磁铁吸引着一样，向这个环靠近。通常情况下你看不到这个结构，但是如果你将烟雾吹入到空气中，烟雾颗粒将聚集在这个屏障结构的周围，从而让你可以看见烟圈。

更难看见的是具有排斥性的拉格朗日相干结构。如果它们是可见的，你会看到该结构好像正在将颗粒向外推。如果你能让时间倒流，就更容易看到这种结构（因为这时候该结构会吸引颗粒），可是时间不能倒流，所以找到这种结构的唯一方法是采用计算机分析。虽然很难观察到，但这种具有排斥性的相干结构非常重要，因为哈勒已经在数学上证明它们会形成运输屏障。

2003年的夏天，在加利福尼亚州蒙特利湾进行的一个实验表明，拉格朗日相干结构可以被实时、实地计算出来。伊利诺伊理工学院的数学家肖恩·C·沙登（Shawn C. Shadden）和合作者在该海湾周围放置了四部高频雷达，来监控海湾的表层洋流。

通过分析雷达数据，研究人员发现，在大部分时间里，有一个运输屏障蜿蜒地经海湾南端的皮诺斯角（Point Pinos，这里有美国最古老的灯塔，每天为途经加利福尼亚沿岸的船舶导航），通向海湾北端。处于这个海湾中的屏障东边的水，在蒙特利湾内回流。而屏障西边的水将流出蒙特利湾，进入太平洋（这个运输屏障偶尔会离开皮诺斯角，移向湾外的太平洋）。万一蒙特利湾出现污染物泄漏，这些信息可能起到至关重要的作用。

为了证实上述运输屏障确实像计算机分析的那样，沙登的团队与蒙特利湾水族馆研究所（Monterey Bay Aquarium Research Institute）合作，部署了四个漂流浮标，并跟踪浮标的运动。他们在运输屏障的两边各放置了一个浮标，其中一个会随着流回蒙特利湾的洋流在这个海湾的西面打转，而另一个浮标则将搭载着洋流这辆顺风车沿着海岸向南移动。他们还发现，打转的那个浮标会在海湾内停留16天——尽管沙登他们在进行计算机分析时，仅采用了3天的观测数据。计算结果的可靠性证明了运输屏障本身的强度和持久性。在这16天里，运输屏障的确像一堵看不见的水中高墙。

躲过大难的墨西哥湾

运输屏障概念最引人注目的的实例是2010年墨西哥湾原油泄漏以后的海况。海洋学家和数学家已经分析了大量数据，并向人们展示了，这些信息能帮助科学家更好地预测原油扩散的去向。

拉格朗日相干结构也许可以帮助解释为什么墨西哥海湾原油泄漏以后，海面的原油消散得比任何人预期的都要快——例如，相比之下，1989年埃克森•瓦尔迪兹号油轮在阿拉斯加威廉王子湾的漏油事件，原油的消失速度要慢很多。（关于墨西哥海湾原油泄漏后，海面以下原油的去向则更有争议性，因为大部分原油可能仍然滞留在海湾底部。）原来，温暖的墨西哥湾是大量以碳氢化合物为食的微生物的乐园，这些微生物一向以自然渗入墨西哥湾海域的碳氢化合物为主食。泄漏的原油提供了比往常更丰富的碳氢化合物，这些微生物便繁盛起来。加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的微生物学家戴夫·瓦伦丁（Dave Valentine）和数学家伊戈尔·麦赛可（Igor Mezic）的研究结果表明，细菌倾向于聚集在运输屏障隔起来的区域内。很明显，这些区域的长期稳定性有助于微生物降解原油。瓦伦丁指出，如果这一事故发生在巴西沿海（这里也具有巨大的深海石油储存量），结果将会完全不同。因为巴西沿岸的洋流直接进入大西洋，而大西洋里并没有聚集大量以碳氢化合物为食的微生物。

运输屏障也可以用来解释为什么“深水地平线”泄漏的原油没能进入墨西哥湾口的“环套流”（the Loop Current），环套流是湾流（the Gulf Stream, 又称墨西哥湾暖流，是经过佛罗里达海峡北上的一支强劲的大洋西边界流）的一部分。如果泄漏的原油进入环套流，就可能被湾流带着北上，从而污染美国东海岸的大片海滩。直到2010年7月2号，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）仍然预测，部分泄漏的原油有61%到80%的几率会进入环套流。这是基于墨西哥湾15年的洋流历史数据作出的预测。

不幸中的万幸是，在2010年的墨西哥海湾泄漏原油事件中，第一，异常强劲的西南风把浮油吹向北方，远离了环套流。另外，一个叫做艾迪·富兰克林的巨大涡旋从环套流中脱离了出来，在浮油和环套流之间形成了一道屏障，将环套流推向比平常的位置更远的南部。这些现象是否可以预测，还有待进一步观察。然而，哈勒和迈阿密大学的海洋学家玛丽亚·奥拉斯科加（Maria Olascoaga）已经证实，浮油中看来反复无常的变化其实是可预测的。例如，在2010年5月17日，一片巨大的老虎尾巴形状的浮油，突然在一天之内向西南行进了160多千米。根据他们的计算分析，这条“老虎尾巴”沿着一个吸附性的拉格朗日相干结构南行，此结构在7天前与强大的吸附性“核心”同时形成。同样地，由于观测到浮油东部形成了一个异常强的排斥性核心，他们提前9天就预测到，2010年6月16日浮油前沿会突然向西撤退。如果监控设备能设置到位，及时监测到运输屏障的话，清污船队就能及时赶到现场进行清污工作。

近年来，在洋流研究之外的领域，运输屏障概念的应用也如雨后春笋般涌现。例如，弗吉尼亚理工学院的肖恩·罗斯（Shane Ross）已经研究了大气中的运输屏障对通过空气传播的病原体的影响。他和同校的植物学家戴维·施马勒（David Schmale）使用一种小型无人飞机，在美国布莱克斯堡上空数十米到数百米的高度收集空气样本。研究人员发现，当一个吸附性结构经过，或者两个排斥结构相继经过时，一种叫做镰刀菌（Fusarium）的真菌的孢子数量会激增。罗斯推断，在第一种情况中，孢子被拉向了吸附性相干结构，然而在第二种情况中，孢子被困在两个排斥性相干结构之间，好像牲畜被电棒赶到了一个很小的区域里。其中一些孢子在弗吉尼亚州并不常见，这表明该结构能在足够长的时间里保持稳定，将孢子从几百千米外运载过来。

沙登现在正在研究拉格朗日相干结构在血液流动中的作用。例如，他已经用拉格朗日相干结构揭示了心脏两次跳动之间，血液输送时形成的屏障。他指出，在一个正常心室中，大部分血液不会久留，最多在两次心跳后，就会离开心室。但是，在6个心脏肿大的病人心脏中，一些血液会长时间在心室里循环，而不离开心室。他在研究论文的草稿中写到：“业界广泛认为，这是一个增加血栓形成风险的因素。”

尽管已经得名十多年，拉格朗日相干结构仍然算不上海洋与大气科学中的主流研究工具。一个关于其用处的质疑是，如果在流体的运动测量中存在误差，那么这些测量误差将会造成预测运输屏障时产生误差。但蒙特利湾的实验结果表明，测量误差对预测运输屏障的位置影响并不大。

另一个质疑是，计算相干结构需要知道整个流场的情况，即每个点的水流速度。但是，如果你知道了每个点的水流速度，你就能够用现在的计算机模型预报水面浮油的去向。那么计算拉格朗日相干结构还有什么意义呢？

其实，预报不是唯一的目的。“事后预报”（hindcasting）也许能帮我们找到被冲上岸的“神秘漏油”的来源（它们经常来自沉船）。例如，大约从1991年开始，1953年在旧金山附近沉没的油轮“雅各布·卢肯巴齐”号（SS Jacob Luckenbach）每年都会污染加利福尼亚海岸，但直到2002年，人们才发现油污的来源。空难和海难还造成了“碎片泄漏”（debris spills）和“尸体泄漏”（body spills）。因为传统的海洋模型不能在时间上逆推，救援人员无法通过观测到的零星残骸碎片来反推事故的发生地。然而，麻省理工学院的海洋学家C·J·比格—克拉斯（C. J. Beegle-Krause）和数学家托马斯·皮考克（Thomas Peacock）正在使用拉格朗日相干结构，来预测海难幸存者将会在洋流中漂向哪里，这将有助于缩小搜救区域。正如皮考克所指出的，在那样的情况下，“即使几分钟都可能决定幸存者的生死”。

最后，拉格朗日相干结构提供的不仅仅是预报或事后预报，它为我们提供了更多对大自然的认识。了解该结构能够使科学家更好地解释计算机模型的预报。如果一个模型预报一条线状的漏油将移向美国佛罗里达州的最西北端的彭沙科拉(Pensacola)，并且我们能够看到一个相干结构将它推向或者拉向那个方向，我们就能更有理由相信这个预报的准确性。如果没有相应的相干结构出现，我们可能对这个模型持有更多的怀疑态度。

现在，数学家正在研究湍流中不同类型的有序结构，比如涡旋（eddies）与射流（jets）。随着对这些结构更深入的理解，我们也许能够回答那些还不甚明了的有关混沌现象的问题。

本文译者：

王东晓是中国科学院南海海洋研究所副所长、中国科学院热带海洋环境动力学重点实验室主任，他曾主持建设了中国科学院西沙观测台站。

李国敬是中国科学院南海海洋研究所博士后，主要从事海洋湍流大涡模拟和混合层的非线性动力机制研究。

本文审校：虞左俊在美国诺瓦东南大学获得了物理海洋学博士学位，她现在是一位自由科学作家。