4 海洋氣候
海洋生態系(四) 林雨莊 編譯
4 海洋氣候
海洋生態系(四) 林雨莊 編譯
地球的大氣層是包裹著行星的空氣層，對生命至關重要。它含有許多生物體所需的氧氣。它的雲層從海上向陸地供應水。它的流通創造了我們的天氣和氣候。大氣層起著保護毯的作用，有助於確保地球表面不會因生存而過熱或過冷。它也使我們免受太陽魟魚最具破壞性的影響。
天氣(由氣象學家研究)是指人們每天經歷的當地大氣條件-晴朗的天空或雨水，溫暖或寒冷，多風或靜止。氣候夥伴(由氣候學家調查)是該地區多年來多年的平均天氣模式。
與地球的尺寸相比，大氣非常稀薄。如果一個充氣的派對氣球代表地球，那麼大氣層的厚度將與氣球的拉伸橡膠壁大致相同。
赤道的大氣層最高海拔為900公里。它在兩極位置較低。它的底部層即對流層(變化的領域)延伸至約16公里高，並包含大氣中80％的空氣和大部分水。人們公認的大多數天氣和氣候發生在對流層。地球上所有較大的生物(不進入飛機或宇宙飛船進入大氣層的人除外)都生活在這一層之中或之下。
對流層上方的層上升到地面上方50公里處，是平流層，因為它包含聚集不同氣體的各種子層。今天，人們乘坐飛機飛越平流層。在平流層之內臭氧層，陽光將氧氣(O2 )轉換為臭氧(O3 )。這種化學反應吸收了一些原本會到達地球表面的紫外線。因此，臭氧層的形成標誌著已經防止了危險的高水平紫外線(UV)輻射到達地球的生命形式。在高劑量下，紫外線輻射會導致突變(生物細胞遺傳物質的變化)，從而導致癌症和其他疾病。
當空氣變暖時，它的密度變小並上升，因為它的組成分子移動得更遠。當它冷卻時，它變得更緻密並沉沒，因為其中包含的分子彼此靠近。太陽對地球表面的不均勻加熱，空氣在某些地方上升而在其他地方下沉，導致大氣在行星表面上循環。
熱帶地區比兩極接受更多的陽光。對此至少有三種解釋。
在赤道附近，正午的太陽升起在天空中，太陽的光線幾乎直接向下傾斜。相比之下，在兩極附近，正午的太陽在天空中升起，太陽的光線以淺角度射向地球表面。在兩極，陽光更有可能從大氣層或地球表面反彈，而不是被吸收。而且，兩極吸收的陽光散佈在地球曲面的更廣闊區域。您可以使用地球儀自己進行測試。站在地球儀旁邊，從一側將手電筒光束照射到地球儀的表面上(就像您是赤道正上方的太陽一樣)。手電筒光束在赤道處產生一個緊密的光圈。在不改變站立姿勢的情況下，將手電筒傾斜，使其朝北極閃耀。請注意，手電筒光束如何產生散佈在地球曲面上的寬橢圓形的光。撞擊兩極的光的亮度小於到達熱帶的光的亮度。陽光同樣如此。
除了到達地球的陽光強度外，吸收或反射多少陽光還取決於地球的反照率(其白度或暗度)。在兩極，那裡的冰和雪很好地反射了陽光，因此吸收的熱量更少。然而，在熱帶地區，陸地是綠色，棕色或黃色，海洋是湛藍的。這些顏色反射的光更少，因此這些區域吸收了更多的太陽熱能。
如果熱帶地區的熱量超過兩極，那麼為什麼赤道地區不會變得越來越熱？它們不是因為熱帶地區變暖，不斷變化的海洋和大氣將熱量帶到地球的其他地方。
隨著熱帶空氣變暖，它會上升。低空冷空氣從較高的緯度(遠離熱帶地區)進入，並替代上升的空氣。同時，暖空氣上升直到到達對流層頂(對流層和平流層之間的冷邊界層)。空氣然後越過對流層朝兩極行進。隨著空氣變冷，它變得更濃密並逐漸下沉，提供涼爽的空氣，這些空氣隨後將返回熱帶地區。簡而言之，在高海拔地區，從熱帶地區到兩極都有溫暖的空氣整體運動。低空有較涼的空氣從兩極向赤道返回。
這種簡單的全球空氣流動模型是由英國物理學家埃德蒙·哈雷(Edmund Halley，1656–1742)於1686年首先提出的。在1750年代，另一位英國人喬治·哈德利(George Hadley，1686–1768)對該模型進行了修改，他認識到地球的自轉會改變氣流方向。
圖4-1 全球空氣循環，在不同緯度上上升或下降的空氣團會在地球表面產生主要的風力系統，這會受到科里奧利效應的影響。
地球在其軸上旋轉。如果有人可以將鼠標懸停在北極上方，那麼地球將在下方逆時針旋轉，每24小時旋轉一次。地球自轉會導致地球表面上最大規模的水和風運動轉向而不是直線傳播。法國人古斯塔夫·加斯帕德·德·科里奧利(Gustave-Gaspard de Coriolis，1792-1843年)在1830年代調查並描述了這種效應，現在以他的名字命名。
要了解科里奧利效應，可以使用模型地球或在大腦中想像地球。從北極上方看，地球逆時針旋轉。對於地球的自轉，赤道上的一個點在空間中傳播的距離(沿一個寬的圓)要比北極附近的一個點(沿一個更緊密的圓)行進得更遠。赤道上一點的旋轉速度約為1,670公里/小時。紐約市附近一個緯度為40°N的點的旋轉速度約為 (1,280公里/小時。這意味著，當物體試圖從赤道向北飛行或航行時，會遇到較慢的旋轉速度。這具有將其向右偏轉的作用。一種簡單的觀察或想像方法是，手指慢慢地朝桿子移動，因為它通常放在逆時針旋轉的模型地球儀上。手指劃出一條向右移動的曲線。
移動的空氣會遇到這種轉向效果，結果是向北移動的風在北半球偏向右側(或向東)。西風(向西吹)向北移動。向南移動的風由於遇到了更高的旋轉速度，因此在該半球偏向左側(或向西)。它們形成東風或東北風(分別從東風或東北風吹來)。
在南半球，建立了與北半球類似的風型。地球自轉對南北空氣運動的總體影響是在不同的緯向產生可靠的西風或東風。幾千年來，帆船上的海員一直依靠這些風來航行和推進。一些風系統被稱為“貿易風”，因為海上貿易商依賴它們。
科里奧利效應不僅會改變風向，還會改變海洋洋流。在北半球，這種影響使洋流向右轉，產生了順時針旋轉的稱為渦流的圓形系統。在南半球，轉向作用是向左，產生逆時針旋轉的迴轉。
全球氣流移動(季風)
在世界海洋中陸體影響相對較小的那些地區，Hadley模型和科里奧利效應為觀察到的風和氣候模式提供了合理的解釋。在緯度5°S和10°N之間的赤道周圍，溫暖潮濕的空氣上升，形成低壓帶，稱為熱帶輻合帶(ITCZ)。這裡經常有云和大雨。
當上升的空氣到達對流層頂時，它向極極旋轉。到大約30°N或30°S，空氣已充分冷卻，從而沉沒回地球表面。這些區域稱為亞熱帶反氣旋，是高壓系統，其特徵是溫暖、乾燥、靜止。在陸地上，這裡發現了非洲撒哈拉沙漠和卡拉哈里沙漠等世界上最熱的沙漠。在海上，這些緯度就是所謂的馬緯度。在航行的日子裡，西班牙駛往西印度群島的船隻停泊在這裡。淡水不足，船上的馬口渴而死，水手把它們扔到了陸地上。
低空從亞熱帶對半克隆向赤道運動的空氣會因科里奧利效應而偏轉。這些移動的空氣團產生了著名的貿易風，這些貿易風是公海中最穩定，最可靠的風。
在赤道附近，商船風在英國水手稱之為低迷的地區消散(源自古老的英語單詞，意思是“沉悶”)。海員擔心在無風的情況下會在這裡變得無聊。在ITCZ處上升並在亞熱帶反旋風中下降的空氣循環被稱為Hadley細胞，以喬治·哈德利的名字命名。
在ITCZ處，一些下降的空氣向極極移動，而不是向赤道移動，這種移動構成了30°和60°之間的空氣質量循環的一部分。這些所謂的Ferrel環流，以William Ferrel(1817-91)的名字命名，於1856年對其進行了識別，其中包括中緯度的低空風力系統，稱為西風。
第三種類型的像元存在於60°和90°之間。這些極地細胞在高海拔地區包含溫暖，向極移動的空氣。冷空氣團向低海拔低海拔地區移動，並受到科里奧利效應的影響而偏轉，形成了極東風。
對全球空氣流通的廣泛概述沒有考慮季節性變化。它也沒有考慮更局部的風系統，例如陸地和海洋之間因升溫和降溫速率不同而產生的風系統，例如印度洋北部的季風風。
海表面洋流
海洋學家在海洋表面描述了大約40個有名的洋流。洋流就像海中的河流，將水從一個地方運送到另一個地方，但比陸地上的任何河流都要大得多。單獨的墨西哥灣流所承載的水量是所有河流總和的幾倍。
海洋的表面流是由風驅動的。當風吹過海面時，海與海之間的摩擦力將一些水拖向水面。由於水是如此稠密，因此很難轉移，因此持續吹打數月的風產生的洋流只是風速的一小部分。世界上最快的主要地表水流，北大西洋的墨西哥灣流和北太平洋的黑潮海流的速度僅為時速4-7 km /h。
人們可能會期望地表洋流與盛行風的方向相同，但是這種情況很少發生。在特定的半球內，科里奧利效應使風向和風向轉向相同的方向。但是，由於洋流的傳播比風慢得多，因此洋流的緩慢移動具有更明顯的轉向效果。
一旦流過，它就會受到其流動的海盆形狀的限制。陸地物質及其大陸棚(大陸架)使洋流偏轉，再加上科里奧利效應，這會在最大的海洋中產生稱為渦流的圓形洋流系統。通常，環流在北半球順時針流動，在南部逆時針流動。印度洋北部的迴旋是該規則的部分例外。當季風風改變方向時，它會逆轉方向。
環流西側的水流，例如北大西洋的墨西哥灣流和南大西洋的巴西庫倫河，從赤道帶走溫暖的水，通過將熱能傳遞到大氣中，它們溫暖了鄰近的陸地。例如，墨西哥灣流向北大西洋漂流輸送水，使冰島和西北歐比歐亞大陸的寒冷中心更溫暖。
在北太平洋的加利福尼亞洋流和北大西洋的金絲雀流等旋流的東側，將冷水帶入赤道。它們對鄰近的陸地有冷卻作用。在夏季，加利福尼亞洋流帶來的陸上風(海陸)使沿海氣溫相對涼爽。
在迴轉中心，幾乎沒有地表水流動，而這個平靜的海域可能是一個漂浮物聚集的陌生地方。Sargasso海位於北大西洋環流的中心，覆蓋著漂浮的海藻和獨特的動植物群落。
圖4-2
世界上主要的表面洋流，較暖的洋流以紅色表示，較冷的洋流以藍色表示。
深層洋流和氣候控制
大多數海表面層洋流僅在地表以下延伸幾百米。佛羅里達洋流和墨西哥灣流除外。它們延伸到2,000公尺或更大的深度。由於與海洋的深處相比，大多數表層洋流都比較淺，因此它們總共僅佔世界海洋水的10％。
海表面層洋流是由風驅動的，而深層洋流主要是由水密度的差異推動的。像空氣一樣，水通常在寒冷時下沉，而在溫暖時則上升。奇怪的是，深層洋流也由極地海洋中海冰的形成提供動力。
當海水凍結形成海冰時，正是水分子凍結。大部分鹽以鹹的液體形式分離出來，稱為鹽水，最終滴入冰中。它使冰下的海水更鹹。涼爽的鹹水稠密，這些水沉到海底，然後流向赤道。這種冰的形成過程-發生在格陵蘭附近的北大西洋和南極洲附近的南大洋的水域中-推動了整個海洋中海水的深層循環。下降的水變成了底水，並被從赤道附近起的淺水位的地下熱水所代替。實際上，在海表面層之下，深層洋流流動非常複雜，不同深度的海流沿不同方向流動。
儘管世界上80％的海水都位於溫躍層(溫度明顯變化的層)之下，但深層海流對全球氣候的影響可能很大，即使這種影響並不顯著。
如果全球變暖持續下去，則北極海冰可能在夏天幾乎消失。如果是這樣，北極的製冰機將暫時停止。這將中斷冷、鹹的底部水的產生，並可能改變北大西洋及其他地區的地表和地下水流。例如，墨西哥灣流和北大西洋漂流可能會向南移動，在這種情況下，它們將不再到達西北歐洲並緩和那裡的氣候。例如，不列顛群島的平均冬季溫度可能會比現在低5至10°C。北大西洋底部沉積物中的冷水有孔蟲(一種單細胞，類動物海洋生物，殼由碳酸鈣製成)的殘留物暗示過去曾發生過此類事件，並且更多不止一次。最近的一次發生在大約11,000年前。一種暫時的氣候逆轉，稱為「新仙女木期」(Younger Dryas)。
如果由於全球變暖持續時間較長而引起的深水循環中斷，可能會改變全球各地的局部氣候，其中一些會變暖，而另一些會變涼。洋流路徑上的細微變化也會大大改變上湧發生的時間和地點。
圖4-3
全球洋流輸送：將溫暖的淺水流與涼爽的深水流連接起來的海水循環
上升流是指涼爽的地下水上升到海洋的地表水。它發生在地表水流分開的地方，例如在赤道和亞極水域中，或者在地表水流將水從海岸線帶走的地方。地表水的移動為更深的水上升並填充空出的空間創造了空間。
上升流很重要，因為它將營養帶到浮游植物繁盛的陽光下的表層水域。陽光和養分的結合促進了光合作用，而浮游植物的繁殖為其他海洋生物提供了食物。在1990年代後期，全球海水魚和魷魚捕撈的三分之一以上來自上升流地區。
上升流的主要區域位於太平洋和大西洋的東側。在那裡，近海風和地表水流的結合至少一年中將地表水從海岸拉走。營養豐富的涼爽水從下方升起以填充空間。以浮游生物為食的魚到達時以繁盛的浮游植物和動物園浮游生物為食，而小魚又成為大型生物的食物。漁民在美洲太平洋沿岸收穫以浮游生物為食的魚，例如鳳尾魚，沙丁魚和鯡魚，葡萄牙大西洋沿岸以及西北和西南非洲也有類似的漁業。在這些地方，沿海上升流的強度以及魚的收穫量每年都在變化。
厄爾尼諾(ElNiño)一詞每隔幾年就會成為頭條新聞，與極端天氣條件相關，例如美國，巴西和非洲部分地區的暴雨和洪水，以及澳大利亞，印度和東南亞的干旱。
厄爾尼諾(El Niño)一詞具有多種含義。對於秘魯和厄瓜多爾的傳統海上漁民來說，它是指通常在基督聖誕節前後發生的貿易風的鬆弛，並導致東太平洋表層出現非常溫暖的水。厄爾尼諾現像在西班牙語中是“男孩”的意思，它是基督孩子的出生。當東南太平洋貿易風在12月或1月放寬時，溫暖的水向西流經赤道太平洋，並阻塞了南美沿岸的上升流。隨著營養物質的流失，浮游植物的生長變慢，以浮游生物為食的鳳尾魚也會散開。秘魯漁業是豐收的一年，是世界上最大的an魚漁業。厄爾尼諾現象-順風減弱，地表水向東擴散以及上升流減少-標誌著捕撈高峰季節的結束。
厄爾尼諾現像也指頭條新聞引起的重大氣候事件。每隔兩到七年，東南太平洋貿易風的減弱(季節性厄爾尼諾現象)比正常情況要早得多。秘魯-智利海岸附近的上升流已連續數月消失。不會發生浮游植物的富礦，而且吃浮游生物的魚也不會聚集。在那年，幾乎沒有an魚漁業，漁民和野生動植物遭受損失。這是厄爾尼諾事件，也稱為厄爾尼諾年。特別強烈的厄爾尼諾事件發生在1957–58、1982–83、1991–92和1997–98年。在1957-58年的事件中，秘魯-智利海岸外的海鳥數量下降了約四分之三。1982–83年事件中的an魚捕撈量降至正常年份的1％以下。1997-98年強勁的厄爾尼諾現像是科學家首次使用赤道太平洋的溫度感測浮標系統以及遙感衛星進行嚴密監視。科學家們可以在厄爾尼諾現象發生六個月之前預測它的到來。
一些氣候學家將厄爾尼諾事件比作壓力閥，以防止全球氣候過熱。它實際上是連接東南太平洋與印度洋東部的更廣泛的氣候特徵(稱為厄爾尼諾-南方濤動)的一部分。當一個區域的壓力較高時(如蹺蹺板)，另一區域的壓力較低。在厄爾尼諾事件期間(東南太平洋溫暖的海水伴隨著溫暖，潮濕的空氣和低海平面壓力的上升)，風力系統的變化產生漣漪效應，影響了數千公里的天氣。它們在北美和南美的部分地區引起異常的暴風雨和暴雨，而非洲、東南亞和澳大利亞的部分地區則遭受干旱。
如果可以預測厄爾尼諾現象，那麼也可以計劃。在厄爾尼諾事件期間，秘魯-智利鯷魚漁業可能會崩潰，但是如果漁民能夠適應不斷變化的狀況，他們就可以捕撈價值較高的溫水魚，例如黃鰭金槍魚，鰹魚和橢斑馬鮫，在南美太平洋海岸外露面。
圖4-4 北半球秋末/ 初冬的全球海表溫度的計算機生成的衛星圖像。最高溫度標記為紅色，橙色，黃色，綠色和藍色的溫度則降低。的舌頭伸出冷水從南向西美國關聯與上湧。在薩爾瓦多倪ñ Ø年這個舌頭早得多消失在本賽季比平常。
在世界上大多數地區，一天中的海平面都會上升或下降。這種有節奏的上升和下降稱為潮汐，並且在許多地方，大約24小時內有兩次上升(洪水)潮汐和兩次下降(退潮)潮汐。高潮和低潮之間的海平面差異稱為潮差。在地中海，潮汐範圍很少超過0.9公尺，但是在加拿大大西洋沿岸的芬迪灣，潮汐範圍可以達到16公尺。
潮汐對海洋生物重要嗎？對於生活在岸上和大陸棚(大陸架)淺水區中的海洋生物而言，答案無疑是肯定的。退潮會使海岸居民高高乾燥，直到幾個小時後又被淹沒。潮汐在淺水中激增，產生強大的水流，游泳的生物必須與之抗爭或被其掠過。潮汐和海流帶來了新鮮的海水，裡面充滿了食物和氧氣。許多沿岸或淺水生物將其進食時間定為與某些潮汐狀態一致。潮汐還可以分散海洋生物的卵或幼蟲，當潮汐最高或潮汐流最強時，一些淺水或沿岸生物便會產卵。至於引起潮汐的原因，答案在於地球，月亮和太陽的相互作用。
地球每24小時繞其軸旋轉一次。在任何給定的時刻，月球的引力都會將地球的海水拉向月球。這導致海水向地球上最靠近月球的點隆起。同時，恰好在地球的另一側形成了平衡凸起(由於一種稱為向心力的作用)。當地球繞其軸旋轉時，兩個凸起(在地球的任一側)圍繞地球行進。出現隆起的地方是漲潮。在隆起之間，已經抽出了一些海水，這是低潮。
每24小時在地球周圍跟踪兩次凸起(兩次俯衝)，那麼一個人每天在任何位置都可能恰好期望有兩次高潮和兩次低潮。但是，月球在其自身的地球軌道中略微前進，因此地球必須稍微偏離其起點才能趕上月球，這大約需要24小時50分鐘(農曆日)。在理想化的世界中，海岸線的每個部分在24小時50分鐘的時間內都會有兩次高潮和兩次低潮。但是現實世界更加複雜。
地球沒有被均勻的海水覆蓋，海洋盆地的形狀和大小各不相同。當潮汐凸起在地球表面上移動時，它們會被陸塊，大陸棚(大陸架)和海床的形狀偏轉和約束。科里奧利效應還會使電湧向右或向左旋轉。這些複雜因素導致潮汐模式發生變化，但以可預測的方式發生變化。包括大多數大西洋沿岸在內的許多地方，每個農曆日都有兩次相似範圍的潮汐。有些地方，例如加勒比海部分地區，每天有2條潮汐，但潮差卻明顯不同。在墨西哥灣的某些地區發現的第三種模式是每天一浪。
潮汐遵循可預測的模式，但是在給定的位置，潮汐範圍的大小從一周到下一周不等。除月球外，還需要考慮另一個因素：太陽。太陽在地球海水上的引力吸引力小於月球(距地球400倍)，但仍然發揮了明顯的作用。
地球每年完成一次太陽軌道。月亮每個月29.5天完成一次繞地球軌道運行。每個陰曆月兩次，太陽和月亮相對於地球成一直線。這發生在滿月(當從地球可見月亮的整個面孔)和新月(當月亮的面孔完全在陰影中且看似看不見的時候)。在這些時候，太陽的重力吸引力增加了月球的吸引力，潮汐凸起比平常大。高潮汐較高，低潮汐較低，潮汐範圍較大。之所以稱其為春季潮，是因為它們“上弦月”或“下弦月”，而不是因為它們與一年中的特定季節相關聯。
在一組春季潮與另一組春季潮之間，太陽和月亮相對於地球成直角。它們的引力吸引力互相抵消，因此潮汐凸起較小。高潮汐較低，低潮汐較高，並且潮汐範圍較小。這些是浪潮。它們發生在月球的第一和第三季度(當月球的一半表面被照亮時，弦月)。
海洋學家參考潮汐表來查找其所在地區高潮和低潮的時間和大小。儘管天氣條件(尤其是風和氣壓的變化)使這些潮汐與預測的略有不同，但潮汐表提供了可靠的指南。
圖4-5
潮汐 月球的引力吸引著潮汐，而在較小程度上太陽也引起了潮汐。該潮差最大(大潮)時，月亮和太陽是相對於對準地球。當月亮和太陽成直角時，潮汐範圍最小(小潮)。
大多數海浪是由風產生的。當空氣吹過海面時，風和海之間的摩擦會將海面雕刻成波紋。如果風足夠強並且吹得足夠長，波紋就會變成波浪。
波浪的最高點是波峰，最低點是波谷。風越強，吹過海面的時間越長，產生的波浪就越高。1933年，一名船員測量了一個風暴波高達在34公尺，這是有史以來最大的一次。即使風速達到170 km/h的颶風也很少引起高於13公尺的風暴波。
在海上，風刮起了尖銳的山峰。隨著波浪從創建位置移開，其輪廓變得平滑，並且一系列這樣的波浪變得膨脹。
我們在海上觀察到的海浪通常是來自不同方向的大小不一的海浪的混雜混合。在兩個波峰相遇的地方，波會增長。波浪和波谷匯合的地方，它們之間會互相抵消。
當波浪在海上經過時，人們看到的是水在海面上的上下運動。與風和洋流不同，海上的波浪不會沿海面推動物體。相反，波峰將一個漂浮的物體向上和向前推動，然後波谷再次將其帶回。這是圓周運動，對象返回到其起點。波浪下方的水中也發生了類似的圓形運動，因此波浪攪動了海水，根據波浪的大小，有助於在表面以下幾碼處分配氧氣和養分。
當正常的海浪到達淺水區時，它們的圓周運動會因為“觸及底部”而受阻。波浪的波峰向前傾覆，波浪隨著衝浪破裂而崩潰。正如任何衝浪者都能證明的那樣，巨浪確實將物體推向海面，甚至直達海灘。在淺水和海岸形成緩坡的地方，到來的海浪逐漸釋放出它們的能量。這些是衝浪者喜歡的海岸。他們可以在很長的距離上“騎乘海浪”。在海岸和海底陡峭擱置的地方，碰撞的海浪在更短的距離內釋放了大量的能量。
波浪是海岸侵蝕的主要因素之一。在多岩石的海岸上，風暴波抬起巨石，侵蝕了懸崖的底部。在沙質海岸上，海浪以一定角度撞擊海岸，隨著沿岸的漂移，沙子沿海岸移動。
當一系列暴風浪遇到迎面而來的洋流時，異常大的“無賴”浪會形成，並減慢並建立它們。這種情況發生在非洲東南部沿海，那裡的風暴波從南大洋向北移動，遇到了向南流動的阿古拉斯海流。波浪形成了20公尺或更高的高度，足以淹沒大型船隻。自1990年以來，在這些水域中有20多艘船被流浪擊沉或損壞。現在，鼓勵船隻繞著它避開Agulhas Current。
全世界的航運業每週損失一艘船。其中至少有一些是由於流浪造成的。最新的研究表明，一些罕見的，陡峭的流浪似乎在深海無處生長，並且它們沒有遵循正常的波浪規則。不可預知的無賴波可能是致命的，但其他一些波仍然更大。
2004年12月26日凌晨，印度尼西亞蘇門答臘北部海岸線上的村民感到地震動，數分鐘後又聽到一聲像噴氣發動機爆炸的聲音。咆哮來自海嘯，一場巨浪。在隨後的幾個小時內，巨浪從印度洋海溝向外翻騰，吞噬了從東部的泰國到西部的非洲索馬里的海濱社區，奪去了約30萬人的生命。上一次襲擊該地區的主要海嘯發生在1883年，當時爪哇海岸附近的Krakatoa島上的一座火山爆發了生命。它引發了海嘯，達到35公尺高，席捲印度洋，據估計有36,000人喪生。
海嘯在淺水區和海岸線上造成了嚴重破壞。這些波浪不是由風產生的，而是被突然的，巨大的水擾動觸發的。波浪就像漣漪從扔進池塘的岩石中散佈開來，但是規模巨大。這些巨大的波浪是由地震，山體滑坡，火山噴發引起的，或者在極少數情況下是由隕石撞擊引起的。這種海浪被稱為地震海浪或海嘯，有時被錯誤地稱為潮汐海浪，因為它們看起來像潮水漲潮。
造成12月26日海嘯的水流是由於海床隆起數碼高而引起的，這與蘇門答臘西部附近的巺他海溝地區發生的大規模地震有關。海嘯從這個位置向外蔓延，花了幾分鐘時間到達蘇門答臘北部的亞齊省首府，並摧毀了這座城市。浪潮在印度洋上傳播，到達泰國和斯里蘭卡大約需要兩個小時，到達馬爾代夫需要三個多小時，而到達東非海岸則需要近八個小時。
在海上，海嘯表面僅高一碼或兩碼，波峰與波谷之間只有數十公里。通常，海嘯由幾波浪組成，並且每波都散佈在如此廣闊的區域，以至於它未被人察覺。但是，以一架客機的速度(約時速700 km /h的速度)行駛時，海嘯在淺水中減速並逐漸形成。當他們到達海岸時，它們的速度已經減慢到原來的速度的一小部分，但可以達到幾十碼高。水牆衝上岸，砸碎船隻和建築物，將它們運送到內陸數百碼。在12月26日海嘯摧毀的許多捕魚社區中，海嘯襲擊時，漁民正乘船出海。他們幾乎沒有註意到它過去了，但是當他們回到岸上時，發現他們的社區遭到了破壞。海嘯的破壞性是由三個主要過程引起的：波浪沖擊的直接影響，內陸海水氾濫以及來回運動時水流的激增對沿海地區的侵蝕。
2004年的海嘯是有史以來破壞力最強的一次，已使地質學家重新評估了海嘯的危害。以前，地質學家認為海嘯的最大危險在於太平洋，因為它具有地質活躍的板塊邊界。2004年12月26日的災難確認大海嘯可以在意想不到的地方重生。
太平洋平均每年要經歷兩次威脅生命的海嘯。它們是由火環中的火山或地震活動產生的。監視它們的太平洋海嘯預警中心(PTWC)的總部位於夏威夷。它發出即將發生海嘯的警告，使人們有時間從受威脅的海岸轉移到更高的地方。通常，海嘯會長途跋涉，給人們幾個小時的到來警告。但是，如果海嘯將在人口稠密的海岸線附近發生，例如在北美太平洋沿岸的卡斯卡迪亞俯衝帶，人們可能只有幾分鐘的時間才能逃到更安全的地方。
海嘯在大西洋，加勒比海，地中海和黑海以及太平洋和印度洋東部均具有危害。在所有這些區域中，板塊邊界的地質活動都會產生地震，火山或滑坡，從而導致足夠大的水位移以產生海嘯。在2005年初，太平洋以外地區的海嘯監視和預警系統沒有與PTWC所運行的系統相同。
2005年1月，在12月26日海嘯之後，聯合國教科文組織(聯合國教育，科學及文化組織)宣布了其旨在幫助協調實施海嘯預警系統的全球戰略的意圖。專家估計，到2006年中期，海嘯預警系統可能會在印度洋東部啟動並運行。這樣的系統將需要結合PTWC所利用的幾個要素。這包括用於監測地震和其他海嘯事件的地震監測系統，以及海平面記錄浮標，水壓檢測器和潮汐儀，以監測通過的海浪。然後，快速編輯，分析和解釋該地震和海平面數據，以估計即將發生海嘯的風險。然後可以向處於危險地區的民政部門傳達警告，以便他們採取緊急行動。然後，當地社區可以根據已製定的計劃撤離瀕臨滅絕的沿海地區。
颶風和海霧
海洋的升溫和降溫要比空氣或陸地慢得多，並且這樣做可以儲存和釋放大量的熱能。從海洋到空氣的熱能和水分流動影響了地球的大部分天氣。這裡被認為是比海洋，颶風和海霧上方的空中環境更為惡劣的兩種天氣條件。
颶風或熱帶氣旋是在海上出生的強烈熱帶風暴。它是一種環形天氣系統，其風速大於119 km /h，中心處的海平面壓力很低(通常為950毫巴或更少，而正常氣壓為1000毫巴)。大西洋和北太平洋東部的熱帶氣旋被稱為颶風。在北太平洋西部，氣象學家稱它們為颱風，在孟加拉灣和澳大利亞-澳大拉西亞附近，它們簡稱為旋風。
颶風出生於海洋最溫暖的熱帶地區，那裡水體頂部60公尺的海水溫度至少為27°C。襲擊加勒比海，中美洲和美國東南部的北大西洋颶風通常起源於夏末和初秋的西非海岸風暴。
加劇熱帶氣旋的能量是潛熱，潛熱被從海面蒸發的水吸收。潛熱是當物質從一種物理狀態變為另一種物理狀態(在這種情況下，從液體變為氣體)時吸收或釋放的熱能。當云層形成時，隨著水蒸氣變成液體，潛熱能量被釋放出來，這種能量釋放使周圍的空氣變暖。較低的空氣密度會變暖，導致空氣上升，產生上升氣流和強烈的地面風。當這種情況發生在通常在5至15度緯度的溫水上時，科里奧利效應會導致風暴系統旋轉。當風速超過119公里/小時，風暴從對流風暴過渡到熱帶氣旋。
一個成熟的旋風由繞著平靜的中心(稱為眼睛)盤旋的雨雲帶組成。氣象系統的跨度可能達到約1,000公里，並包含數百場雷暴。當熱帶氣旋在較冷的水或陸地上移動時，其逐漸消失，並且其熱能的供應也被切斷。
更強大的熱帶氣旋是地球上最具破壞性的天氣系統之一。颶風風速超180 km /h，倒塌的建築物，連根拔起的樹木，並向空中拋擲小船。
風暴潮是指在颶風來臨之前堆積的海堆或由其中心的低壓區產生的海丘。加上當地的漲潮時，它的高度可能達到7公尺，並可能造成破壞性的沿海洪水。1970年11月，孟加拉灣的一場熱帶氣旋造成風暴潮席捲孟加拉國的三角洲地區，造成約50萬人喪生。
熱帶氣旋(颱風)的傾盆大雨可能導致內陸以及沿海地區山洪氾濫。每天記錄有300-600mm的降雨。1998年，米奇颶風引發的傾盆大雨在薩爾瓦多，洪都拉斯和尼加拉瓜引發了滑坡，造成至少9,000 人死亡。1999年，弗洛伊德颶風對美國東南部和東部各州造成的最大破壞來自造成內陸洪水的暴雨。
與颶風形成鮮明對比的是，海霧是在涼爽的空氣中或在涼爽的水上方形成的安靜天氣現象。當來自溫暖的地表氣流的潮濕空氣遇到冷空氣時，會形成四方霧。當突然冷卻時，水蒸氣凝結成微小的液滴，形成霧。持續不斷的霧氣形成，溫暖潮濕的空氣穿過寒冷的洋流。這發生在加利福尼亞海岸附近，那裡溫暖的海洋空氣流過寒冷的加利福尼亞洋流。在拉布拉多洋流上方的涼風與墨西哥灣流上方的暖風混合的情況下，海霧以兩種方式形成。這發生在加拿大紐芬蘭附近的大銀行附近，數百年來，數百艘船隻在濃霧中相撞。
全球變暖是地球上平均溫度的上升。最大的問題是，這正在發生嗎？如果是這樣，原因是什麼，人們對此可以做些什麼？一個名為政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的國際科學家團隊於1990年，1995年和2000年舉行會議，審議這些問題的答案。
在評估是否發生氣候變暖方面存在主要問題。全球氣候是全球各地氣候的總和。即使全球變暖正在加劇，某些地方也會隨著其他地方變暖而變涼。計算所有製衡方法是一個複雜的過程，理想情況下，需要數十年的測量才能看到趨勢。監測全球變暖的最佳方法之一可能是測量地下海水的溫度。即使全球傳送帶系統的溫度小幅上升，也可以預示全球氣候的急劇變化。
在過去的10,000年中，全球氣候自然發生了變化，在某些時期比其他地區變暖了6°C。如果現在正在發生全球變暖，這僅僅是自然週期的一部分，還是有人在起作用？
IPCC科學家之間的共識是，人類活動正在向大氣中釋放大量的溫室氣體，這導致了導致地球過熱的“溫室效應”。
溫室效應是什麼？大氣中自然產生的一些氣體(例如二氧化碳和甲烷)吸收了地球表面發出的紅外輻射。之所以將它們稱為溫室氣體，是因為它們像溫室中的玻璃一樣，會吸收傳出的紅外線並捕獲熱能。例如，在冬季的晴天，溫室中的空氣變得比室外的空氣溫暖得多，部分原因是這種作用。在全球範圍內，溫室氣體將熱量捕集到大氣中並溫暖地球表面。
溫室效應是整個地球生命中一直發生的自然過程。沒有它，今天的地球可能會降溫至少30°C。問題在於人類活動“增強”了溫室效應。當人們燃燒大量的化石燃料(石油產品，天然氣，煤炭等)時，這種活動會向大氣中釋放更多的二氧化碳。這增加了溫室效應，將更多的熱能捕獲在大氣中，從而使地球略微變暖。
通過分析過去幾百年來捕獲在極地冰中的二氧化碳的記錄，科學家發現，過去150年中，大氣中的二氧化碳水平上升了四分之一。最近全球範圍內的溫度測量表明，自記錄開始以來，1990年代是最熱的十年。全球變暖似乎正在發生。例如，自1990年代後期以來，北極海冰的厚度和覆蓋範圍下降了，這也許是全球變暖的預警信號。
1998年，印度洋上的許多珊瑚礁變成了白色。這種“珊瑚白化”是在珊瑚息肉噴出伴侶藻類時發生的。漂白事件足以殺死建造珊瑚礁的珊瑚息肉。
1998年的珊瑚白化事件與1997-98年的厄爾尼諾現象同時發生，當時印度和太平洋部分地區的地表水溫度比季節性正常水平上升了1至2°C，足以導致大量珊瑚及海藻死亡。一些科學家懷疑，隨著全球變暖加劇，厄爾尼諾現象可能變得更加頻繁和激烈。
IPCC在其2001年的報告中對氣候變化做出了最佳估計，預測21世紀地球表面將變暖2.9°C。如果發生這種情況，那麼海平面平均可能會上升約50cm。這種上升的大部分將來自海水在變暖時略有膨脹。這種海平面上升足以威脅低窪國家。例如，孟加拉國的大部分地區，比高潮位高出不到1.8公尺，而馬爾代夫的印度洋許多島嶼僅比目前最高潮位高出0.9-1.8m。 。
無論如何，由於溫室效應增強而導致的全球變暖可能使天氣狀況更加極端和不可預測。只是略微改變方向的洋流會將熱量和水分帶到新的位置，並拒絕當前接收它的其他人。風暴可能會變得更加猛烈，而乾旱將會更加嚴重。
應對人類引起的全球變暖的最佳方法是遏制溫室氣體的排放。但是許多國家的行動太少太遲。例如，美國拒絕簽署1997年《京都議定書》以減少溫室氣體排放。到2005年6月，已有140多個國家的代表簽署了該國際條約。平均而言，美國每個人通過其消費的產品和服務所產生的溫室氣體仍然是歐洲每個人的兩倍。
自古以來，對洋流的方向和速度的瞭解就决定了遠洋航行的成敗。15世紀末，在亨利王子學校受訓的葡萄牙航海家，乘著北大西洋和南大西洋的旋渦，沿著八個航向的航向西非和往回航行。這條航線比逆風順流直接沿歐洲和非洲的大西洋海岸航行要長，但速度更快。
在18世紀中葉，政治家本傑明富蘭克林（1706-1990）還是一個科洛尼亞爾郵政局長時，他注意到，從歐洲到新英格蘭橫渡北大西洋的郵輪，走南風而不是北上，所用的時間少了兩個星期。在詢問船長時，他發現在偏北的航線上，他們正迎著强大的墨西哥灣流航行。佛蘭克林於1770年首次出版的墨西哥灣流圖表，使跨大西洋的商人能够選擇最佳路線—在向外航行時選擇墨西哥灣流，並在返回時避開它以更快的速度橫渡。
在2004年12月26日海嘯發生後的幾週內，科學家們意識到這波巨浪對與印度洋東部接壤的許多生態系統的巨大影響。海嘯的力量嚴重破壞了許多珊瑚礁和海草草甸。在成千上萬的偏遠地區，動植物被沖上岸，擱淺。對淺水社區不同成員的影響遠非統一。許多大魚在海浪中被殺死，而能夠停泊在海床上的小動物得以倖存。
海嘯激起的沉積物窒息了一些珊瑚礁和海草草甸。巨浪過後，許多有害物質和大量碎片進入海中。未加工的污水被沖刷到近海，隨著動植物和人體的分解，海水中的養分含量上升而氧氣含量下降(參見“ 污染”，第200頁)。不可降解的碎片(例如塑料製品)被清除到海中，同時分解粉碎的船，建築物和倒下的樹木中的木材，將在未來許多年繼續降低當地的海水質量。異國情調的魚類，軟體動物和甲殼類動物- 介紹到該地區的水產養殖，並保持天然海洋生物群落獨立的- 被掃入海，他們可以接觸到與本地物種的接觸。
12月26日的海嘯重塑了許多海岸和河口，儘管水壩的面積減少了，珊瑚礁和紅樹林得到了很好的維護，並成為了屏障。海嘯改變印度洋東部沿海生態系統的物理，化學和生物邏輯結構的各種影響可能要到科學家們監測了許多年之後才會顯現出來。
2005年2月超過100萬跨越多個國家的沿海居民- 與社區被砸，他們的船隻殘骸，以及它們所依賴破壞了生物資源- 都依賴於食物救濟和他們的生存醫療救助。
