洋流的 蝴 蝶 效 應

一、緒論

研 究 動 機 我們曾經以「洋流是否會停止流動」作為研究主題，經過一連串的實驗後，得到「洋流會永續流動」的結果。後來卻意外發現，我們的實驗結果依然存在著許多疑團和變數。 例如我們指出，在之前的報告中，風對於洋流流速的影響是最大的，但那是在風速和洋流流速一致的情況下造成的結果。關於全球的洋流分布，其中的逆風區不在少數，如果洋流在流動過程中遇見了逆風的現象，再加上其他許許多多之變因一湊合，是否可能造成洋流流速減慢，甚至有停止的情況發生？ 關於這一點，我們在不久後查詢到某篇已發表的論文，證明了我們的疑慮──洋流的確可能會停止流動！於是，我們研究小組再度從相同的主題，不一樣的探究觀點重新出發，開始了這一次的研究。

研 究 目 的 一、探討洋流與風的關係 二、探討洋流與水溫差的關係 三、探討洋流與鹽度差的關係 四、探討洋流與地球自轉的關係 發現問題---洋流停流思維 五、探討風向(逆風區)、地球轉速對洋流的影響 六、研究洋流與海底坡度的關係 七、研究洋流與海洋環境酸鹼的關係 八、研究洋流對氣溫的影響 探討分析---洋流停流思維再探討

文 獻 探 討 蝴蝶效應 蝴蝶效應是指在一個動力系統中，初始條件下微小的變化能帶動整個系統的長期的巨大的連鎖反應，來自於美國氣象學家勞侖次60年代初的發現。 某地上空一隻小小的蝴蝶扇動翅膀而擾動了空氣，長時間後可能導致遙遠的彼地發生一場暴風雨，以此比喻長時期大範圍天氣預報往往因一點點微小 的因素造成難以預測的嚴重後果。 海水有特別的凝聚力，不容易被打散，也不易和附近的海水混合，穩定地維持自己的濃度。洋流流速V(單位：cm/s) 向流動的現象。此股 洋流又稱海流，是指大股海水往某一特定方 洋流

。科學家發現北大西洋流在極區的轉向循環（MOC）正逐漸減弱，預估在兩百年內將停止。不過到底環流是否正在減弱，則一直苦無證據。 ，因熱量散去使得海水密度變大而下沈，之後南轉變成北大西洋深層水，並成為全球深層海水的源頭之一。此過程稱為MOC（meridional overturning circulation）。 ，此環流稱為全球海洋運輸帶（the global ocean conveyor ）。其中一段：北大西洋流，當其向北前進到挪威海、格陵蘭海及拉不拉多海附近時 分與海水中的化學物質傳到所經之處 海洋中有一穩定的海水環流，整個環流涵蓋各大洋並將水、熱量、鹽 MOC pH值： pH值，亦稱為氫離子濃度指數、酸鹼值，是溶液中氫離子活度的一種標度，也就是通常意義上溶液酸鹼程度的衡量標準。pH值範圍介於1~14之間。 坡度 坡度是用以表示斜坡的斜度，即「爬升高度除以在水平面上的移動距離」。

二、研究方法

精密秤、pH計、溫度計、量筒、捲尺、保溫瓶 研 究 器 材 與 設 備 玻璃測試水箱 精密秤、pH計、溫度計、量筒、捲尺、保溫瓶 (大、中、小) 保麗龍箱

精密秤、pH計、溫度計、量筒、捲尺、保溫瓶 研 究 器 材 與 設 備 玻璃測試水箱 精密秤、pH計、溫度計、量筒、捲尺、保溫瓶 (大、中、小) 保麗龍箱

研究器材與設備 研 究 器 材 與 設 備 其他器材-工具： 榔頭、鋸子、剪刀、水管、瞬間膠、防水膠silicone 冰塊 小石子、氫氧化鈉、食用醋 其他器材-工具： 榔頭、鋸子、剪刀、水管、瞬間膠、防水膠silicone 其他器材-實驗器材：塑膠瓦楞板、紅染色劑、藍染色劑、砂紙 其他器材-藥品： 強酸、小蘇打粉

研 究 流 程 小組討論 繪製實驗器材設計圖 器材製作

研 究 流 程 研究流程 實驗前置工作 酸鹼實驗 海底地形實驗

研 究 流 程 研究流程 洋流對氣溫的實驗 實驗結果分析與討論

【實驗二】研究洋流與海洋酸鹼環境的關係。 研 究 架 構 洋流的蝴蝶效應 【討論一】水流與風的關係？ 【討論二】水流與水溫差的關係？ 【討論三】水流與鹽度差的關係？ 【討論四】水流與地球自轉的關係？ 【討論五】探討洋流減速或停流可能性。 【實驗一】研究洋流與海底坡度的關係。 【實驗二】研究洋流與海洋酸鹼環境的關係。 【實驗三】研究洋流對氣溫的影響 。

三、研究結果與討論

影響洋流流動的因素 ──風 風因素之水流速-行走距離比例圖 風因素之水流速度-風速比例圖 <實驗方法> 利用電風扇，選用3種不同的風速吹送，在高水位(29cm)的水箱進行單邊染色(約3c.c.藍墨汁)，並作風吹送測試。 <發現> 不論風速多少，水流速因受染料在水中的擴散作用影響(擴散速度與擴散距離呈負相關)，使得整體流速有越來越慢的趨勢。 <實驗結果> (1)風速與貢獻水流速度呈正相關(固定水流直線行走距離15cm處觀測)。

影響洋流流動的因素 ──風 <探究分析> 取單向直線行走距離22.5cm的2/3處(22.5*2/3=15cm)為固定觀測點，往後實驗項目皆以水流行走15cm時，來探討影響洋流的因素，以增加實驗的一致性。 籍由水流直線行走距離15cm觀測染料的流動，間接觀測由風所造成的水流速，我們發現染料的擴散作用影響很大，觀測的流速扣除染料的擴散速度，才會得到真正的風所造成的水流速度，而且在小區域中不同的距離風所造成的水流速度應大致相同，與我們的實驗結果趨勢一致。

影響洋流流動的因素 ──水溫差 <實驗方法> 選用3組不同冷熱水溫差的試驗水，在水位(20cm)的水箱進行單邊染色(約3c.c.紅墨汁)。拉開測試門，並繪出相關圖表。 <發現> 我們發現水溫差與水流速度呈正相關，水溫差達到23度C時，水流面接觸傾斜角度為0度，此時造成的水流速為3.55cm/s。 水溫差因素(差16度C)--水流面接觸傾斜角度

影響洋流流動的因素 ──水溫差 風因素之水流速-行走距離比例圖 水溫差因素之水流速度-水溫差比例圖 水溫差因素之水流面接觸傾斜角度-水溫差比例圖 <發現> 實際海中很少在同一海域中水溫差超過23度。 <探究分析> 當水流面接觸傾斜角度極小或0度時(此時水溫差為23度C)，水流阻力會最小故水流速度為最大3.55cm/s。

影響洋流流動的因素 ──鹽度差 <實驗方法> 選用7組不同鹽度差的試驗水，在水位(20cm)的水箱進行單邊染色(約3c.c.藍墨汁)，拉開測試門，並繪出相關圖表。 <發現> 我們發現鹽度差與水流速度呈正相關，鹽度差達到±23.25/1000時，水流面接觸傾斜角度為0度，此時應該會有最大水流速度。 鹽度差因素(鹽度30-35)--水流面接觸傾斜角度

影響洋流流動的因素 ──鹽度差 水流速度-鹽度差比例圖 水流面接觸傾斜角度-鹽度差比例圖 水流面接觸傾斜角度-鹽度差比例圖 <發現> 因為實際海中很少在同一海域中鹽度差超過±5/1000，所以我們取最大鹽度差為±5/1000。 <探究分析> 當水流面接觸傾斜角度極小或0度時，此時的水流阻力會最小故水流速度為最大。

影響洋流流動的因素 ──地球自轉(保麗龍球實驗) 前 中 後 <實驗方法> 以直徑10cm的保麗龍球模疑地殼表面包覆海水的情況，轉動球體，模疑地球自轉，在水面上滴入紅色染劑，觀看紅色染劑在水面上流動情形並記錄。 <探究分析> 滴下染劑，染劑被轉動的保麗龍球帶動前進(西向東，逆時針運動)，保麗龍球轉速大於染劑流速的相對運動，若假設站在保麗龍球上看染劑，染劑會向順時針運動(由東向西)，且向兩旁偏轉(南北極)，說明了赤道洋流會由東向西前進的原因。

影響洋流流動的因素 ──地球自轉(彈珠實驗) 彈珠偏離角度-自轉切線速度比例圖 <實驗方法> 組裝直徑12cm的光碟片於轉動平檯上，模擬地球自轉的情況，轉動光碟片形成不同轉速，上方滾入一顆5g重的玻璃珠， 觀看玻璃珠在光碟片上滾動的路徑並記錄。 <探究分析> 這兩項實驗間接證明有一動力會造成球的偏轉，經查閱相關資料及請教老師，我們得知這種力為科里奧利力(科氏力)，而我們地球每天都在自轉，所以我們的地球無時無刻都受科氏力的影響，洋流也不例外。 <發現> 彈珠滾入轉動光碟片的實驗，可以明顯說明在轉動的慣性空間中，的確彈珠會偏轉，而轉動越快偏轉角度越大。

【探 討】 風向(逆風區)、地球轉速對洋流的影響 <逆風區的影響> 方法：利用全球洋流圖與全球季風圖比對，計算逆風洋流占全洋流的比例，來修正風對洋流的影響程度。 困難：因為逆風區為不規則圖形，所以利用作圖法求比例有很大的視覺判別問題。 解決：經討論發現同一張紙張的厚度差不多且又有重量，所以的我們決定以重量法來計算逆風洋流占全洋流的比例。   紙張重(克) 平均(g) 所占比例 觀測次數 1 2 3 4 5 逆風洋流區 0.105 0.13 0.126 0.132 0.12 0.1226 19.58% 全洋流區 0.650 0.675 0.505 0.645 0.655 0.626 100% 洋流逆風區剪取結果

【探 討】 風向(逆風區)、地球轉速對洋流的影響 全球夏、冬風向圖 <發現> 逆風區占全洋流19.58%，出乎我們意料的多，所以影響的比例：順風0%、無風-19.58%、逆風-19.58*2=-39.16%。也就是說風的影響變為60.84%。 全球洋流逆風區分佈圖(藍色部分)

【探 討】 風向(逆風區)、地球轉速對洋流的影響 <地球轉速的影響> 方法：藉由已知的新竹-竹北的緯度24.5度及實驗的科氏力，再利用簡易的比例法求出赤道及南北極軸的科氏力，來修正科氏力對洋流的影響程度。 緯度-科氏力影響圖 <發現> 科氏力的影響的程度為0~23.3%，赤道最大、南北極最小。

流速混合實驗結果-(風+溫差+鹽度差)的流速 實 驗 修 正 ──洋流停流思維再探討 方法：分析先前實驗洋流成因(風、水溫度、鹽度、地球轉速)，固定風速、海水溫差、海水鹽度差，在水位(20cm)的水箱進行單邊染色(約3c.c.紅墨汁)，拉開測試門，並繪出相關圖表，如右圖所示。 洋流成因 生成風 海水溫度差 海水鹽度差 地球轉速(緯度24.5度) 合計 條件設定 4.44m/s (風扇轉速大) 2度C ( 25 --27度C) -2/1000 (33/1000~35/1000) 地球自轉造成的流速= 流速混合實驗結果-(風+溫差+鹽度差)的流速 混合實驗 貢獻的流速(cm/s) 2.55 0.45 1.15 間接求出=0.85 5 占的比例 51％ 9％ 23％ 17％ 100％ 最特殊情形 逆風區51*60.84%=31% 逆溫 -9% 逆鹽 -23% 0~23.3% ---- 修正比例 31~51% -9~9% -23~23% 0~23% <發現> (1)修正過後影響因素比例為：風31~51% > 鹽度差-23~23% > 地球自轉及其它0~23% > 溫度差-9~9%。 (2)但在最特殊的情形下： 31%(含逆風區)+ -9%(逆溫)+ -23%(逆鹽)+ 0%(在極地)=-1%，的確會讓洋流停止流動，真讓我們驚訝！一旦區域洋流停止流動，好像水管被阻塞一樣，連動全洋流停止流動，不是不可能的，打破我們過去的研究思維。

【實 驗 一】 研究洋流與海底坡度的關係 海底坡度-貢獻水流速度相關圖 <實驗步驟> (1) 選用三種不同模擬海底的材質板 (平滑--直徑d=0、砂質--直徑d=0.2mm、礫質--直徑d=10.5mm)。 (2) 配合0、19、35度三組不同海底坡度的試驗底板。 (3) 選用相同冷熱水溫差的試驗水，約13度C。 (4) 在水位(20cm)的水箱進行單邊染色(約3c.c.藍墨汁)。 (5) 拉開測試門，測出水流經時間、長度及水溫並記錄。 海底坡度-貢獻水流速度相關圖 <實驗結果> (1)海底坡度與貢獻流速呈正相關。 (2)海岸坡度為35度時，貢獻流速3cm/s。 (3)海地地質越粗糙，流速越慢，反之越快。

【實 驗 一】 研究洋流與海底坡度的關係 <發現> 此為抽開閘板時，閘板上的墨水不慎滴落，被水流推動至此所造成，不計入實驗結果。 <發現> (1)墨水碰到岸時，所貢獻的面積都會形成同一種曲線(如上圖紅線所示)，但面積不相同，我們推論這是材質的影響。 (2)越靠近左邊箱壁處，水流速度越快。 由於我們水族箱的坡度設計是往左傾斜，我們推論此傾斜方向對流速造成了影響。 <探究分析> 海的地質會影響水流速度，地質越粗糙，流速越慢，反之越快。水流速和海底地質粗糙度呈負相關。此外地形的傾斜坡度會影響流速，水流在流動同時，靠近岸邊的水流會順著傾斜的坡度向下，對下水位產生下壓力，進而讓深水位流速加快的情形。

【實 驗 二】 研究洋流與海洋環境酸鹼的關係 海水酸鹼差-貢獻水流速度相關圖 <實驗步驟> (1)利用酸、醋酸、小蘇打粉及氫氧化鈉模擬五種不同的海洋酸鹼環境。 (2)選用相同冷熱水溫差的試驗水，約13度C。 (3)在水位(20cm)的水箱進行單邊染色(約3c.c.藍墨汁)。 (4)拉開測試門，測出水流經時間、長度及水溫並記錄。 <實驗結果> (1)酸鹼差與貢獻流速呈正相關。 (2)酸鹼差近10pH時，貢獻流速為3.5cm/s。 <探究分析> 海大部分為弱鹼性，但現今人類的環境污染將海給酸化了，間接拉大了酸鹼差，進而加速了洋流的流動，這可是我們沒有想過的結果。 <發現> (1)酸鹼差越大，貢獻的流速越快。 (2)根據此折線圖可推斷，當差為14時，貢獻最大流速為4.8cm/s。

【實 驗 三】 研究洋流對氣溫的影響──室內實驗 空間大小-水溫與氣溫影響時間相關圖 <實驗結果> (1) 室內實驗中，水溫和氣溫會互相影響，但最後水溫與氣溫是不會重合的。 (2)箱子大小和影響時間呈正相關。水占的空間比例越小、空間體積越大，水溫與氣溫影響時間越久，介於2~11分鐘。 <發現> (1) 實驗結果顯示，在一個隔絕對外空氣流動的空間裡頭，溫度變化的順序為水溫氣溫，以此判斷水溫會影響氣溫。而空間體積越小，水占的空間比例越大，影響速度越快。 <實驗步驟> (1)利用四種不同大小(特大、大、中、小)的保麗龍箱，分別放入1/4、2/4、3/4的冷水或熱水。 (2) 在保麗龍箱箱蓋上戳洞，插入兩支溫度計(一支測量水溫，另一支測量氣溫)並以油土固定。 (3)蓋上箱蓋並開始計時，於固定時間測量保麗龍箱內的水溫和氣溫並記錄。

【實 驗 三】 研究洋流對氣溫的影響──室內實驗 水溫與氣溫變化-所需時間示意圖

【實 驗 三】 研究洋流對氣溫的影響──室外觀測 時間-溫度相關圖(新竹地區海上浮筒 2012/3/3~2012/4/2) 時間-溫度平均趨勢相關圖(新竹地區海上浮筒2012/3/3~2012/4/2) 註：關於中央氣象局的新竹沿海地區觀測數據請參考附件一。 <實驗結果> (1)室外觀測中，海溫與氣溫影響的時間介於1.5天~3.25天。 (2)海水溫度變化幅度較小，空氣溫度變化幅度較大。 <發現> (1)室內實驗與室外觀測(中央氣象局資料)的趨勢一致；海溫的確會影響當地的氣溫，空間越小、海水占的比例越多，則影響時間越短。且影響時間為1.5~3.25天，比我們想像中還要快。

四、結論

結 論 一、風速與貢獻洋流速度呈正相關。 二、海水溫差與貢獻洋流速度呈正相關，與水流面接觸傾斜角度呈負相關。水溫差達到23度C時，會有最快的水流速度(3.55cm/s)。 三、鹽度差與貢獻水流速度呈正相關，與水流面接觸傾斜角度呈負相關。鹽度差達到+23.25/1000或-23.25/1000時，會有最大水流速度。 四、水中保麗龍球的轉動實驗，說明赤道洋流會由東向西前進的原因；彈珠滾入轉動光碟片的實驗，說明洋流會受科氏力的影響。 五、逆風區占全洋流19.58%；風的影響折減為60.84%。科氏力的影響的程度為0~23.3%，赤道最大、南北極最小。 六、修正過後影響洋流因素為：風31~51% > 海水鹽度差-23~23% > 地球自轉及其它0~23% > 海水溫度差-9~9%。在最特殊的情形下： 31%(含逆風區)+ -9%(逆溫)+ -23%(逆鹽)+ 0%(在極地)=-1%，的確會讓洋流停止流動。

結 論 七、.海底坡度與貢獻洋流速度呈正相關。海岸坡度為35度時，貢獻流速3cm/s。 八、海底地質的粗糙度和貢獻洋流速度呈負相關。 九、酸鹼差與貢獻洋流速度呈正相關。酸鹼差近10pH時，貢獻流速為3.5cm/s。當差為14時，貢獻最大流速為4.8cm/s。 十、干擾洋流的流動成因有：風、海水鹽度差、 地球自轉、 海水溫度差、海底坡度、海底表面地質及海洋環境酸鹼差。 十一、室內實驗中，空間體積與氣溫的影響時間呈正相關；水占的空間比例與氣溫的影響時間呈正相關。 十二、以中央氣象局新竹海上浮筒顯示，海溫與氣溫會相互影響，而且影響的時間為1.5~3.25天。

結 語 當洋流速度減慢甚至停止流動，海水的溫度3~4天內就會影響內地，進而影響當地的氣候。根據我們的研究顯示，干擾洋流的流動成因有：風、海水鹽度差、 地球自轉、 海水溫度差、海底坡度、海底表面地質，甚至海洋環境酸鹼，都有可能改變洋流的流速，在特殊的不起眼條件下的確會減速甚至停止環流，就如同蝴蝶效應一樣。所以我們不能太小看任何因素，否則「明天過後」的片段很快就會到來。

研 究 心 得 科學研究果真是一條漫長而艱辛的路，在這次的研究中，我們一度感覺像在茫茫大海中浮沉，新鮮感與耐心，都被海流給一點一滴的沖刷走了…… 但是海流也帶來了新的希望與契機──像是偶然產生的一個新想法、一成功證明我們假設的實驗結果、一個意想不到的發現…… 在經歷了組員間的無數次爭執、因為步驟出錯而全部宣告失敗的實驗結果、實驗器材「秀逗」的狀況……。終於，我們還是把最初的研究精神及團隊默契給拾回來了。 做完這次的研究，我們雖然憂心地球的未來，卻仍抱持著希望：如果我們能正視目前的環境危機，想法子從困境中脫尋找出路，相信明天過後，太陽依舊燦亮！

五、參考資料及其他

參 考 資 料 一、王如意、易任(1988)。應用水文學。台北市：國立編譯館。劉君祖等人(2002)。 二、林素月/譯 (1978)。大學物理。台南：台南東海出版社。第621-629頁。 三、陳育仁等人(2001)。新知識-力和壓力。台北：圖文出版事業股份有限公司。 四、小牛頓科學百科4。台北：牛頓出版股份有限公司。第120-130頁。 五、原始論文：Curry Ruth and Cecilie Mauritzen, Dilution of the Northern North Atlantic Ocean in RecentDecades, Science, 308, 1772(2005)__

備 註 一、本次研究中，因為室溫度控制不易，會使實驗結果有所變化，產生一些誤差值。 二、附件一： 新竹沿海地區海溫資料(2012/3/3~2012/4/2) 資料來源：中央氣象局   時間(天) 日期 海溫(度C) 氣溫(度C) 1 3月3日 14.7 16 3月18日 24 22.5 2 3月4日 15.5 16.4 17 3月19日 20.9 17.9 3 3月5日 19.3 18 3月20日 20.8 4 3月6日 18.1 20.7 19 3月21日 20.3 17.3 5 3月7日 17.8 14.3 20 3月22日 22.9 19.9 6 3月8日 17.7 13.8 21 3月23日 23 20.4 7 3月9日 17.4 11.5 22 3月24日 12.5 8 3月10日 11.1 3月25日 21.7 9 3月11日 16.2 12.8 3月26日 20.2 18.8 10 3月12日 14 25 3月27日 21.1 11 3月13日 13.7 26 3月28日 22.6 21.2 12 3月14日 15.1 14.8 27 3月29日 24.1 13 3月15日 16.6 15.3 28 3月30日 21.9 3月16日 17.1 20.1 29 3月31日 23.5 18.4 15 3月17日 30 4月1日 23.2 31 4月2日 22.3