隱形水牆:「輸運障壁」如何保護墨西哥灣免於油污污染?

隱形水牆:「輸運障壁」如何保護墨西哥灣免於油污污染?

我們想讓你知道的是

我們大多認為洋流和其他混沌現象,在本質上就無法預測,科學家發現相當於陸地上分水嶺的輸運障壁,可用拉格朗日連貫結構來預測,以試圖理解大自然的異常行徑。

文:馬肯紀 (Dana Mackenzie)

對於墨西哥灣而言,2010年夏天可說是「漏油之夏」。英國石油公司(BP)在美國路易斯安那州外海租用的深水地平線(Deepwater Horizon)油井大量漏油,觀光客看到新聞報導說原油已流向海岸或即將如此,紛紛取消前往墨西哥灣沿岸的行程。海灘空無一人,旅館住房率也大幅下降,影響範圍遠達弗羅里達州的麥爾士堡和基拉哥。

但實際狀況並沒有那麼可怕,尤其是弗羅里達州西岸。在漏油期間,這一段墨西哥灣海岸受到一種隱形且一直存在的分水嶺保護著。弗羅里達州大陸棚上方有一道看不見的線引導著原油,使原油不會朝東擴散。它沒有實體,而是一道隨海流變化而移動的水牆。儘管如此,這道水牆的防護效果絲毫不遜於海堤或攔油柵。

科學家稱這些看不見的牆為「輸運障壁」(transport barrier),作用相當於陸地上的分水嶺。它可使朝某個方向流動的水分出一部份,流往另一個方向。在混沌的海洋中,它好比是一幅地圖,讓我們知道水往哪裡流。雖然洋流似乎完全無法預測,但輸運障壁可使混沌的水流回復一定程度的秩序和結構。

這類結構的相關研究近年來十分蓬勃,科學界尚未完全確認它的重要性。不過研究人員已經證明,他們的研究或許有助於解釋流到墨西哥灣海面的原油為何消失速度高於預期,以及這些油為何完全沒有從弗羅里達海峽流入大西洋。未來發生災難時,了解這些洋流,將可進一步提升清理效率。這類研究或許還能解釋血流對動脈粥狀硬化血管上斑塊的形成有何影響,也有助於預測引發過敏的孢子在大氣中如何移動。

混沌研究出現於1970年代。當時科學家發現在某些自然現象中,即使是極微小的擾動,都可能造成很明顯的變化。有句俗話說:「蝴蝶在地球一端拍擊翅膀,可能產生微小的氣流改變,一星期之後卻在地球另一端造成龍捲風。」

氣體(例如空氣)和液體(例如海水)這類流動的流體,其實是混沌系統的典型範例,也是最常見的例子:許多現象受流體流動影響,從墨西哥灣洋流、通過風力發電機的氣流,到踢足球時出現的香蕉球等都包含在內。描述流體流動的數學方程式是近200年前由納威爾(Claude-Louis Navier)和斯托克斯(George Stokes)所提出。然而,知道這些方程式並不代表能獲得解答,斯托克斯方程式也一直是數學界中最具挑戰性的難題。

原則上,由斯托克斯方程式的精確解,可以正確預測流體的未來動向。不過預測的正確程度取決於目前已知的詳細狀況,或是科學家所謂的「初始條件」。實際上,我們不可能得知海洋中每個水分子的走向,而在混沌系統中,任何不確定性(例如蝴蝶振翅的影響)則會隨時間呈指數遞增。斯托克斯方程式的精確解很快就會失效。

至少就原則上而言,「混沌」不代表「隨機」或「無法預測」。近10年來,數學家已經建造出理論架構,藉以了解隱藏在混沌流體中的輸運障壁這類持久結構。目前任職於瑞士洛桑聯邦理工學院的數學家海勒(George Haller)於2001年給這類結構取了個很繁複的名稱:「拉格朗日連貫結構」(Lagrangian coherent structure);另外,海勒還為錯綜複雜的輸運障壁結構取了個饒負詩意的名稱:「紊流骨架」(the skeleton of turbulence)。只要在一團流體找到這類結構,即使沒有斯托克斯方程式的完美精確解,也能準確預測流體在中、短期間內會把物體帶往何處。

輸運障壁究竟是什麼樣子?煙圈就是其中一種。煙圈的核心是吸引性拉格朗日連貫結構,也就是一條曲線,微粒彷彿受到磁鐵吸引,流向這條曲線。通常我們看不見這類結構,但如果朝空中吐煙,煙霧微粒會聚集在它周圍,讓我們得以看見。

推斥性拉格朗日連貫結構比較不容易看見。如果看得見的話,它看來是一條會推開微粒的曲線。如果我們能讓時間倒流,會比較容易看見它(因為它看來像會吸引微粒)。不過我們不可能讓時間倒流,所以唯一的觀察方法是藉助電腦分析來察看。推斥性結構雖然不容易觀察,但相當重要。海勒已經透過數學方式證明,這類結構比較容易形成輸運障壁。

墨西哥灣逃過一劫

最富戲劇性的輸運障壁概念接受實地驗證,是發生在2010年墨西哥灣漏油事件之後。海洋學家和數學家分析了漏油事件的大量相關資料,證明這些資訊可協助科學家更準確地預測原油的移動方向。

拉格朗日連貫結構可能有助於解釋海面原油的消失速度為何高於所有人的預期。舉例來說,1989年阿拉斯加威廉王子海峽的艾克森瓦迪茲油輪漏油事件,消失的速度就慢上許多(海面下原油的狀況較有爭議,許多原油可能仍然留在墨西哥灣的海底)。溫暖的墨西哥灣有大量微生物,可以消化自然滲入墨西哥灣的碳氫化合物。由於碳氫化合物的供給量遠超乎尋常,這些微生物隨之大量繁殖。美國加州大學聖巴巴拉分校微生物學家瓦倫坦(Dave Valentine)和數學家梅茲克(Igor Mezic)提出,這些細菌很容易聚集在輸運障壁形成的相關區域中。很顯然地,這些區域的長期穩定性有助於分解原油。瓦倫坦指出,如果漏油發生在已經發現蘊藏大片深海原油的巴西外海,狀況會完全不同,那裡的洋流流向海洋,也沒有大量細菌協助消化碳氫化合物。


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