海裡有「河」在流，人們是怎麼發現的？
― 郵船為何延誤，捕鯨船船長早就知道了
在大海中央，沒有河岸也沒有堤防，卻有一條寬約 100 公里的「河」在流動。最先把它畫上地圖的不是學者，而是幾乎天天生活在海上、以捕鯨為業的水手們。
你有沒有試過在電動步道上逆向行走？明明照平常的步調邁步，景色卻幾乎沒有前進。再走慢一點，就只是在原地踏步，最後還會被往後帶走。
18 世紀的大西洋上，船隻遇到的就是同樣的事。從英國把信件運往美洲的郵船，不知為何總比商船晚兩週左右才抵達。明明郵船是更氣派的船。
解開這個謎的，是一群知道海上有一條看不見的「電動步道」的人。
海中的「河」是怎麼被發現的？
海流用眼睛看不到。但逆流而行的船會變慢，順流而行的船會提早到。郵船「莫名的延誤」，正是水流存在的證據。
鯨魚會聚集在水流的邊緣。追逐鯨魚的捕鯨船船長們，用身體記住了水流的位置與寬度。這些知識，第一次被畫到了紙上。
而且，這條「河」並不是在海裡隨處都有。它只在大洋的西側又窄又快地流動。流經日本南方的黑潮，也是它的同類。我們依序來看。
郵船為什麼會晚兩週？
據說 1768 年前後，住在倫敦的班傑明・富蘭克林收到一則抱怨。當時富蘭克林負責管理美洲殖民地的郵務。抱怨的內容是：「從英國來的郵船，到紐約所花的時間，比商船多了大約兩週。」
富蘭克林向他的表親提摩西・福爾傑請教。福爾傑是美國南塔基特島的捕鯨船船長。他的回答很明確：「郵船是在強大的水流中逆流前進。」
據福爾傑說，捕鯨船船長們不只一次告訴郵船這件事，但郵船的船長們不肯聽。也許他們瞧不起美洲漁夫的建議。
逆流而行，到底會吃多大的虧呢？請用圖 1 的滑桿改變船划水前進的速度。下方的箭頭，就是船相對於地面（海底）實際前進的速度。
海流為每秒 1.5 m 時，即使船以每秒 2.5 m 前進，實際上也只有每秒 1 m。風弱的日子，帆船甚至會原地被推回去。據說福爾傑也提過，風一弱，船被推回的比前進的還多。兩週的延誤，就是這樣一點一滴累積起來的。
為什麼只有捕鯨人知道水流？
捕鯨船會在同一片海域來回好幾個月。這和一心直奔目的地的郵船，與海相處的方式完全不同。一般認為，鯨魚會聚集在水流邊緣、餌料豐富的地方。所以捕鯨船沿著水流的邊緣追逐鯨魚，有時還會橫越水流。
進入水流後，海水的顏色和溫度會改變，海藻漂浮，船也會被橫向沖走。這些線索親身經歷多次之後，船長們的腦中就形成了一張「水流地圖」。
富蘭克林請福爾傑畫出水流的位置，並印成海圖。這是最早描繪灣流的海圖之一。不過據說英國的水手們好一陣子都沒有使用它。
富蘭克林自己此後每次橫渡大西洋，都會用溫度計測量海水溫度。灣流的水比周圍更暖。這被認為是用溫度這個數字來捕捉看不見水流的早期例子之一。
據說 1513 年，西班牙探險隊在佛羅里達外海遇到明明是順風，船卻往後退的情形。此後，西班牙船隊便乘著這股水流返回歐洲。人們早就知道水流存在，但把「在哪裡、寬度多少」畫成地圖的，是富蘭克林與福爾傑。
為什麼「河」只流在海的西側？
在北大西洋的北半部，低緯度吹的是由東往西的信風，高緯度吹的是由西往東的西風帶。受這兩種風的牽引，海面形成一個順時針旋轉的大圓圈。請看圖 2。
奇妙的是，這個圓圈並不左右對稱。向北的水流在西端被壓縮到寬約 100 km，據說最快處可達每秒 2 m 左右。相對地，向南回流的水則散布在大部分海域，只緩慢移動。
造成這種偏斜的，是地球自轉。在旋轉的地球上，越往北，「旋轉的效果」越強。這個差異，使得向南回流的水能在廣闊的海面上緩緩前進；而向北的水流，則只能擠進貼著西岸的一條窄通道。1948 年，美國海洋學家亨利・史托梅爾用簡單的計算說明了這個機制。
北太平洋也發生同樣的事。太平洋西端，也就是流經日本南岸的，就是黑潮。黑潮同樣是日本漁夫自古以來就取了名字、熟知的「海中之河」。
據說灣流搬運的水量，是全世界所有河流總和的數十倍以上。寬約 100 km，深處可接近 1 km。即使如此，光從海面上看，幾乎分辨不出水流的邊界。
總結
海裡有一條沒有河岸的「河」在流。最先把它畫成地圖的，是郵船莫名的延誤，以及追逐鯨魚的船長們的經驗。而這條河，在風與地球自轉的作用下，細而快地聚集在大洋的西端。流經日本近海的黑潮，也是其中之一。
看不見的水流，最先以「延誤」的形式現身。
最早畫出海圖的，是生活在海上的人的經驗。
地球自轉如何影響水流方向，請見〈洗澡水的漩渦，在南半球真的會反向旋轉嗎？〉；陸地上河流彎曲的機制，請見〈河為什麼不直直地流，而會蜿蜒？〉。黑潮帶來的暖水與魚的關係，也歡迎閱讀〈秋刀魚為什麼到了秋天就變得油脂豐富、特別好吃？〉。
- 在浴缸或臉盆裡裝滿水，用手攪動，做出緩緩朝同一方向旋轉的水流。
- 把小紙船（或橡皮擦碎塊）用手指以相同的力道推出去，分別讓它順著水流和逆著水流前進。
- 比較兩個方向走過相同距離所花的時間。把推的力道放輕，也可以確認逆向時紙船會被推回來。
如果水的流動不容易看清楚，可以撒一點胡椒粉在水面，水流就會顯現出來。用「時間差」找出看不見的水流，和富蘭克林從郵船的延誤找到灣流，是同樣的思路。
想知道更多 ― 名詞・算式・與課本的連結明確標示內容屬於國中理化到大學專業課程的哪個程度
- 國中國中自然科學會學到的範圍
- 高中高中「基礎物理」「地球科學」會學到的範圍
- 高中＋高中進階，或課本專欄程度的內容
- 大學高中不會學，屬於大學專業課程（海洋物理學、地球流體力學）的內容
- 研究連大學也不會當作「定論」教，是研究者目前正在探討的話題
國中名詞：這個現象有名字
- 海流：在海中沿著大致固定路線持續流動的大型水流。和潮汐漲退造成的水流（潮流）是不同的東西。
- 灣流・黑潮：在北大西洋與北太平洋西端向北流的強勁海流，都是世界最大級的海流。
- 環流：繞行整個大洋的大圓圈狀海流組合。北半球的大洋中是順時針旋轉。
國中高中用算式確認：逆流會晚幾天
船相對於水的速度減去海流速度，就是實際前進的速度。假設要逆流前進 1000 km，來估算延誤的時間。
| 用符號寫 | t ＝ L ÷ ( v − u ) |
| 用文字寫 | 所需時間 ＝ 前進距離 ÷（船相對於水的速度 − 海流速度） |
| 算式的來源 | 速度的合成（相對速度）。從陸地上看，船的速度是船相對於水的速度，加上水本身的速度。逆向的水流就要用減的。 |
| 符號 | 意義與單位 |
| L | 逆流前進的距離。假設為 1000 km |
| v | 帆船相對於水的速度。假設為每秒 2.5 m |
| u | 海流速度。每秒 1.5 m（據說灣流最快處約每秒 2 m） |
| 一天的秒數 | 86400 秒 |
| 以每秒 1 m 前進，一天走的距離（km） | 86400 ÷ 1000 ＝ 86.4 |
| 實際前進速度 v − u（每秒 m） | 2.5 − 1.5 ＝ 1.0 |
| 一天前進的距離（km） | 1.0 × 86.4 ＝ 86.4 |
| 逆流前進 1000 km 所需天數 t | 1000 ÷ 86.4 ≒ 11.6 |
| 沒有水流時一天的距離（km） | 2.5 × 86.4 ＝ 216 |
| 沒有水流時所需天數 | 1000 ÷ 216 ≒ 4.6 |
| 延誤（天） | 11.6 − 4.6 ＝ 7.0 |
光是逆流，就會延誤約一週。如果風又弱，船速掉到每秒 1.0 m 的那天，v − u 會變成 −0.5，船就會被推回去。
| 一天被推回的距離（km） | 0.5 × 86.4 ＝ 43.2 |
| 用身邊的距離來說 | 一天就損失將近一趟全程馬拉松（約 42 km）的距離 |
這樣的日子累積幾天，就算差了兩週也不奇怪。反過來，若順著水流走，就會賺到同樣的數字。西班牙船隊回程利用灣流，就是這個緣故。
高中高中＋風推動海水，自轉讓方向偏轉
高中在地球科學中會學到，信風與西風帶牽引表層海水，在北半球的大洋形成順時針的環流。基礎物理的「相對速度」，就是上面的算式本身。
高中＋在旋轉的地球上運動的水，在北半球會受到使其向前進方向右側偏轉的視力（科氏力）。因此，被風牽引的表層水不是朝風的方向走，而是被運往風的右側方向。這稱為艾克曼輸送。水被聚集在西風帶與信風之間，海面略微隆起，這就成為推動環流的力量來源。
大學西岸強化：為什麼只有西端特別快
環流偏向西側而增強的現象稱為西岸強化，那股強勁的水流稱為西邊界流。風賦予海洋的旋轉，與科氏力隨緯度變化（貝塔效應）取得平衡的關係稱為斯維德魯普關係，依此，大洋內部的水流會寬廣而緩慢地向南。為了把回流的水運往北方，需要在摩擦起作用的西端形成一條窄流，這就是史托梅爾（1948 年）給出的答案，後來芒克加入渦旋黏性，將理論進一步發展。
📖 算式的推導與更進階的內容：維基百科「西邊界流」 ／ 維基百科「灣流」
研究目前還不清楚的事
- 歐洲的冬天暖和，是灣流的功勞嗎？ 這是常見的說法，但也有研究認為大氣搬運的熱量作用更大，究竟有多少要歸功於海流，爭論仍在持續。
- 大西洋的大循環正在減弱嗎？ 有人指出，暖化使北方海水變輕，連通深海的循環可能會減弱。但觀測期間還短，究竟減弱到什麼程度，看法不一。
- 黑潮大蛇行為什麼會開始、又為什麼會結束？ 黑潮有時會在紀伊半島外海大幅向南彎曲，而且這種狀態會持續好幾年。要事先準確預測它的開始與結束，目前仍然困難。
也就是說，本文的內容也只是「就目前所知範圍的說明」。即使現在能用人造衛星測量海面高度，海流的位置與強度仍然每年有些微的變動。
與課本的連結（依程度）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的對應處 |
|---|---|---|
| 國中 | 自然科學（大氣與海洋的運動） | 海流、環流這些詞 |
| 高中 | 基礎物理「相對速度」／地球科學「海洋的循環」 | 圖 1 與用算式確認、圖 2 |
| 高中＋ | 地球科學進階「科氏力・艾克曼輸送」 | 風推動海水的機制 |
| 大學 | 海洋物理學・地球流體力學 | 西岸強化・斯維德魯普關係 |
| 研究 | 氣候變遷與海洋循環 | 灣流與歐洲氣候、黑潮大蛇行 |
| ― | 與生活的連結 | 漁場、船的航線、日本氣候與黑潮 |
- 維基百科（日文版）「灣流」
- 維基百科（日文版）「西邊界流」
- Richardson, P. L. (1980). Benjamin Franklin and Timothy Folger's first printed chart of the Gulf Stream. Science, 207.
- Stommel, H. (1948). The westward intensification of wind-driven ocean currents. Transactions, American Geophysical Union, 29.
- Stommel, H. (1965). The Gulf Stream: A Physical and Dynamical Description. University of California Press.
※本文為給一般讀者的科學解說。文中數值是為了理解機制而給的參考值與概算。歷史上的往來，是依據留存的信件與紀錄，以通行的說法介紹。