认识海洋 插图第10版

作者简介

著者简介 基斯·A. 斯韦德鲁普（Keith A. Sverdrup），担任威斯康星大学密尔沃基分校地球物理学教授，讲授海洋学课程25年，并从事地质构造和地震学的研究工作，曾获得该校的本科教学奖。基斯在明尼苏达大学获得地球物理学学士学位，之后在斯克里普斯海洋研究所研究太平洋盆地地震构造，并获得地球科学博士学位。 基斯一直积极参与美国地球物理协会（AGU）、美国物理研究所（AIP）和美国地质学会（GSA）的教育计划，加入美国地球物理联合会教育和人力资源委员会12年，其中有4年担任该委员会主席。此外，他还在美国地球物理协会的卓越地球物理教育奖委员会、《地球与太空》的编辑顾问委员会及沙利文奖委员会的最佳科学报道评选均担任职务。基斯曾是美国物理研究所物理教育委员会成员，他也是美国地球物理联合会、美国湖沼海洋学会、海洋学会、美国地质学会、国家地质教师协会、国家科学教师协会以及美国Sigma Xi科学研究学会成员。2005—2007年，基斯任职于美国国家科学基金会事业部本科教育分部。 E. 弗吉尼亚·安布拉斯特（E. Virginia Armbrust），现任华盛顿大学海洋学院教授，从事海洋浮游植物的教学及研究工作。她在斯坦福大学获得人类生物学学士学位，在麻省理工学院和伍兹霍尔海洋研究所获得生物海洋学博士学位。安布拉斯特博士主要研究海洋浮游植物的生物多样性、生理和生态，探究这些微生物对栖息地变化的应变特征。她在一个国际科研项目中担任首席科学家，该项目致力于确定海洋硅藻的全部DNA序列，以便更好地了解这些有机体的各种生物功能。她还担任西北太平洋人类健康和海洋研究中心联合主任，积极探索海洋过程和人类健康之间的联系。安布拉斯特博士还是海洋与渔业科学学院环境基因中心负责人，以及戈登-贝蒂·穆尔基金会海洋微生物研究项目的成员。 安布拉斯特博士从事多年本科和研究生的教学工作，两次获得学院研究生教学优秀奖，曾指导过30名本科生进行实验研究，是40位研究生的导师委员会成员。在担任“携手科学”（Partners in Science）项目导师期间，她在自己的实验室中为许多高中教师提供了暑期进修指导。 译者简介 魏友云，中国地质大学英语系毕业，从事英语翻译工作十余年。 胡松，上海海洋大学海洋科学学院副院长，主要从事大气和海洋动力学及数值模式研究。

内容简介

正文赏读 第1章海洋学的历史 海洋学是一个包含多学科的宽广领域，其下所有学科的共同目标是认识海洋。在扩展我们对海洋的认知方面，地质学、地理学、地球物理学、物理学、化学、地球化学、数学、气象学、植物学和动物学都扮演着重要角色。由于极具学科交叉性，当今海洋学通常分为以下几个分支。 地质海洋学（Geological Oceanography）研究海洋的边界和底部，以及洋盆的形成过程。物理海洋学（Physical Oceanography）研究海水运动（例如波浪、海流、潮汐等）的特征和动力成因，以及它们对海洋环境的影响；物理海洋学还研究海水中的能量传播，例如声、光、热等。海洋气象学（Marine Meteorology）通常包含在物理海洋学范畴内，主要研究热量传递、水循环、海气相互作用等。化学海洋学（Chemical Oceanography）研究海水的成分和历史、演变过程以及成分间的相互作用。生物海洋学（Biological Oceanography）研究海洋生物及其与海洋环境的关系。海洋工程（Ocean Engineering）则是设计和规划海上设备与装置的学科。 一直以来，科学家通过收集观察和实验得到的数据来探索自然界的过去和现在。数据就是科学家用于科学研究的“证据”。科学数据必须具备可重复性，并且包含误差分析。一个无法重复，或者没有误差估计的观测数据，不能称为科学数据。彼此工作独立的科学家们，在重复实验观测的过程中，在误差允许范围内，应当获得与根据原始数据所得相接近的结果。 科学假说（hypothesis）是在已确定的物理或化学原理基础上对数据进行的初步解释。如果数据是量化的（可以用数的形式表达），科学假说通常可用数学公式表达。能够被接受的科学假说，必须可以进行重复试验和证伪（证明某个事物不是真的）。经过多次测试并且与观测事实相吻合的科学假说可以正式被认为是可行的假说，并且将来有可能被更完善的假说所取代。 如果一个科学假说能够不断地被重复的实验结果和不同的实验支持，那么该假说就可以上升为理论（theory）。科学理论的价值在于，它能够预测此前还没有被人们意识到的某种现象或者关系的存在。普通人通常将“理论”理解为“推论”。与普通人相比，科学家对“理论”定义更为严格。“理论”不是推论，而是对重复的实验结果之间的关系进行可验证的、精准可靠的阐述。 在一个固定观测地点，以小时为单位测量得到的海平面高度数据，是一组科学数据或者科学事实。假说“潮汐力作用导致海平面高度变化”可用来初步解释这些数据，随后该假说可以被表述为精确的数学公式；如果在海洋其他区域的重复测量数据可以持续地用该假说精确解释，那么该假说可以上升为潮汐理论（将在第11章进一步讨论）。 即使有时候假说被提升到了理论的地位，科学探索的脚步也不会停止。科学家不会轻易地抛弃已被广泛接受的理论，人们解释新的发现时，首先会套用已经存在的理论。只有在经过重复实验之后，已有理论不能解释新的数据结果时，科学家才会质疑已有理论并试图做出修改。 海洋研究受到学术和社会力量的推动，也有赖于我们对海洋资源、贸易、商业、国家安全的需求。起初，海洋学是非正式学科，发展进程缓慢。到了19世纪中期，海洋学发展成一门现代科学，并在该世纪最后几十年内呈爆炸式成长。探索海洋的过程并不是一帆风顺的，我们经常需要变换方向。国家的利益和需求以及科学家的学术好奇心决定着我们研究海洋的方式、方法和领域。为了获知现代人类对海洋的认识程度，我们需要先从了解历史上激励人们探索海洋的一些事件和动机开始。 1.1?早期的海洋学 早在数千年前，人类就开始认识海洋，积累起点点滴滴的海洋知识，并通过口述流传。起初，人们好奇地在海边漫步，在浅滩涉水，在岸边采集食物，从而产生了认识海洋的想法。跨入旧石器时代，人类发明了带刺的长矛、鱼叉和鱼钩。原始的鱼钩是系在绳子上的有两个尖端的短棒，上面插着诱饵。新石器时代之初，聪明的人类祖先发明了骨质鱼钩和渔网。公元前5000年，人类开始使用铜鱼钩。 人类向海洋方向迁移并在沿海定居，首先是为了利用海洋中的食物资源。在古代人类海岸居住遗址中，先民们留下的成堆的贝类和鱼骨等废弃物遗骸，被称为“贝冢”。这表明人类早期祖先使用木筏或某种类型的船进行过近海的渔业活动。一些科学家认为，由于海平面上升，许多史前古器物已经丢失或被冲散，目前发现的贝冢可能只留给我们关于古代海岸定居点的最低程度的认知。古代神殿的壁画中已经出现了渔网；古代埃及第五王朝法老蒂（Ti）[ 原文可能有误。据资料，蒂不是法老，而可能是埃及第五王朝时期的一位官员。——译者注]（约5 000年前）的坟墓内画有剧毒的河豚，旁边有象形文字描述其危害。公元前1200年或更早的时候，波斯湾就有了鱼干交易；在地中海地区，古希腊人捕捞、保存海鱼并进行交易；腓尼基人则建立了渔业定居点，例如“渔民小镇”西顿，后来发展成为重要的贸易港口。 早期的海洋信息收集者主要是探险家和商人，留下的文字记录很少，这些信息主要在海员之间口口相传。早期的海员们被这些信息引导着，从一个地标航行到另一个地标。他们靠近岸边航行，夜晚经常把船停靠在海滩附近。 一些历史学家认为，航海船起源于埃及。人类首次有记录的航海行为发生在公元前3200年，由法老斯奈夫鲁（Pharaoh Snefru）率领；有记录以来最早的海上探险活动发生在公元前2750年，汉努（Hannu）率领船队从埃及出发，到达阿拉伯半岛南端和红海。 约公元前1200—前146年，腓尼基人居住在现在的黎巴嫩地区，他们是优秀的水手和航海家。尽管土地肥沃，但由于人口过于密集，腓尼基人不得不从事商业贸易以获取所需的各种货物。他们通过向东建立陆路、向西建立海上航线的方式实现贸易交换。当时，腓尼基人是该地区唯一拥有海军的民族。他们穿越地中海，与北非、意大利、希腊、法国和西班牙的居民进行贸易往来。约公元前590年，腓尼基人还离开过地中海，向北沿欧洲海岸航行，到达大不列颠群岛，向南进行了环绕非洲的航行。1999年，人们利用遥控潜水器（remotely operated vehicle，ROV）探测到两艘约公元前750年的腓尼基货船残骸。遥控潜水器能下潜到残骸的位置并将沉船的视频图像传送回地面。这两艘沉船被发现于距离以色列海岸48 km、水深300～900 m的地方。 人类穿越西南太平洋的大规模迁徙活动，可能始于公元前2500年。这些早期的迁徙仅在西南太平洋上的岛屿之间进行，距离相对较短，航行难度不大。公元前1500年，波利尼西亚人开始向东进行更远的航行，航行的范围从距离数十千米的西太平洋岛屿附近，扩大到数千千米之外的夏威夷群岛。公元450—600年，他们到达夏威夷群岛并定居下来。到了8世纪，每个可居住的岛屿上都有了他们的身影，范围是北至夏威夷，西南至新西兰，东至复活节岛形成的三角区域，面积约相当于美国的两倍。 在太平洋上，早期的导航手段主要是依靠观察天空中明亮星体在地平线上的升起和降落。从赤道附近观测，这些星体以南北方向为轴，自东向西旋转。有些星体升起和降落的位置离北部较远，有些离南部较远，这些规律随着时间变化。波利尼西亚的航海者根据星体位置升降的规律，将水平方向分成32个区，以此创建了“星体坐标”。这些方向组成一个罗盘，记录风向、洋流、波浪等信息，并为岛屿、浅滩、暗礁间的相对位置提供参考坐标。波利尼西亚人还通过观察波浪和云的形态来帮助航行。鸟类和陆地上的独特气味（例如鲜花和木头燃烧产生的烟）可以提示他们附近可能存在着岛屿或陆地。一旦发现岛屿，该岛屿相对于其他岛屿的位置、涌浪的类型、岛屿周围波浪的弯曲方向等信息，就可以由棒图（通常由竹子和贝壳制成）记录下来（图1.1）。 早在公元前1500年，不同族群和地区的中东人就开始探索印度洋。到了公元7世纪，他们皈依了伊斯兰教，控制了通往印度和中国的贸易路线。丝绸、香料和其他贵重物品在这条路线上流通。一直到1502年，达·伽马在阿拉伯海上击败了阿拉伯舰队，这种垄断才结束。 希腊人称地中海为“塔拉萨”（Thalassa，海面女神），并认为陆地环绕着它，而陆地又被“俄刻阿诺斯”（Oceanus，海洋之神）包围。公元前325年，亚历山大大帝（Alexander the Great）到达莫克兰海岸的沙漠地带（现为巴基斯坦的一部分），他派舰队沿海岸努力探寻海神的奥秘，希望找到黑暗可怕的漩涡海和怪兽恶魔居住的喷水口。他们发现了在地中海从未见到过的潮汐。指挥官尼阿卡斯（Nearchus）第一次将希腊船队带入海洋，探索了海岸并于80天后安全到达霍尔木兹港口。皮西亚斯（Pytheas，公元前350—前300年）是与亚历山大同时代的航海家、地理学家和天文学家，也是最早记录从地中海至英格兰航行的人之一。尽管皮西亚斯可能携带着某种形式的航路指南，他还是借助太阳、星座和风力导航，从英格兰向北航行到苏格兰、挪威和德国。他确认了潮汐和月球之间的关系，并且他也是较早尝试测定经纬度的人。这些最早的航行者并没有探索海洋，对他们来说，海洋只是一条充满危险的道路，是从这里到那里的途径。像这样的境况持续了数百年。然而，通过航海者们不断地补充与积累海洋信息，人们逐渐形成了对海洋的主体认知。 希腊人在地中海贸易和战争期间进行了海洋观测，并努力思考有关海洋的问题。亚里士多德（Aristotle，公元前384—前322年）认为，海洋占据了地球表面最深的地方，表层海水通过太阳蒸发又冷凝，以降雨的形式返回海洋。他还编排了海洋生物的目录。埃及亚历山大城睿智的埃拉托色尼（Eratosthenes，约公元前264—前194年），绘制了他所理解的世界，并计算出地球周长为40 250 km（现代的测量结果为40 076 km）。据希腊地理学家斯特拉波（Strabo，约公元前63—公元21年）称，波希多尼（Posidonius，约公元前135—前50年）在撒丁岛附近海域测得，海水深度约为1 800 m。老普林尼（Pliny the Elder，约23—79年）描述了月相与潮汐的关系，并研究了穿过直布罗陀海峡的海流。托勒密（Claudius Ptolemy，约85—161年）绘制出第一张世界地图并限定了世界的边界：北至不列颠群岛、北欧和亚洲未知陆地；南至“未 的南方大陆”（Terra Australis Incognita），包括埃塞俄比亚、利比亚和印度海；东至中国；西边界为延伸到中国的巨大的西方海洋（Western Ocean）。托勒密的地图用经纬度标注了8 000多个地点。但是，这张古老的世界地图带有一个重大缺陷，即托勒密认为地球周长只有29 000 km。这导致1 000多年后，哥伦布登陆美洲时误以为到了亚洲东海岸。 1.2? 中世纪的海洋学 自托勒密之后的1 000年里，欧洲的知识活动和科学思想逐渐衰败。然而，造船业在此期间有了长足发展，船舶被改进得更适于航海与航运。因此，水手们能够进行更远的航行。维京人（北欧海盗）都是熟练的水手，在近三个世纪（793—1066年）内，他们进行了大量的探险并从事贸易和殖民活动，通过内河航行，穿越欧洲和西亚，远至黑海和里海（图1.2）。维京人最著名的航行是横跨北大西洋之旅。871年，他们航行至冰岛，约12 000人移民并最终定居于此。982年，埃里克·索瓦尔松（Erik Thorvaldsson，又称“红胡子埃里克”）从冰岛出发，向西航行并发现了格陵兰岛。在那里生活了三年后，他又回到冰岛招募了更多移民。985—986年，冰岛人比亚德尼·赫尔约夫松（Bjarni Herjolfsson）在前往格陵兰岛的途中被风吹离航线，向南绕过了格陵兰岛。传说他看到纽芬兰了才调头回到格陵兰岛。1002年，埃里克·索瓦尔松的儿子莱夫·埃里克松（Leif Eriksson）从格陵兰岛向西航行到达北美洲，这比哥伦布的航行早了约500年。 罗马帝国灭亡后，地中海地区的阿拉伯学者继承了希腊和罗马积累的知识。阿拉伯作家马苏第（El-Mas′údé，？—956年）首次描述了由季风造成的洋流变化。运用季风和洋流知识，阿拉伯水手建立了横跨印度洋的稳定贸易航线。12世纪初，中国的大型帆船已经可以乘坐200～300名船员。这些大型帆船与阿拉伯独桅帆船在相同的航线上（中国和波斯湾之间）航行。 中世纪时期，关于海洋的认识依然停留在原始状态，但随着航海知识的增加，人们制作出了海港示意图或航海图。这些航海图带有距离标志，标记了各种危险地点，但没有经度或纬度。13世纪，随着指南针从亚洲传入欧洲，海图上增加了方位标识。图1.3为约翰内斯·范科伊伦（Johannes van Keulen）在1682—1684年所著的《伟大新海图集》（Great New and Improved Sea-Atlas or Water-World）中的荷兰航海图，图中指南针方向与14世纪早期的“航海指南”（portolano）一致。 ？系统编排 全面覆盖海洋领域各分支学科，从海洋地质结构到海水的物理化学特征，从潮汐、洋流等海洋现象到细菌、哺乳生物等海洋中的居民，内容循序渐进，全景展现海洋的奥秘，打造读者对海洋的立体认知。 ？注重实用 海洋与人类生活息息相关。本书9次修订再版，通过引入大量贴合生活的实例和特设介绍海洋学科学进展的专栏，贴合海洋学热点话题，各部分内容互相渗透，引领读者融会贯通地掌握海洋学知识，并能将科学原理运用到实际生活中。 ？启迪思维 以人类探索海洋的历史为起点，以自然现象和科学原理为经纬，透过浩渺的视角阅览人类所赖以生存的地球系统，深度理解海洋这个人类生存与发展的重要空间。