歷史 物理

奠定海洋學基礎的壯舉(上) :日不落帝國的榮光

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撰文者:高崇文
發文日期:2020-12-21
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  • 這些年台灣喊”海洋立國”喊得震天價響,但是關於海洋學的介紹似乎並不多見,這實在是件古怪的事。照說四面環海的臺灣應該格外重視海洋相關的科學研究才是。阿文其實對海洋學也很好奇,但是也只有在高中一年級時上了一學期的基礎地球科學,學了一點皮毛。所以現在要來補補學分,從哪裡開始呢?就從現代海洋學的開端講起好了。


    海洋學(oceanography)顧名思義就是研究海洋的各種自然現象、性質及其變化規律,還有人類要如何利用海洋的整套知識。它涵蓋了許多主題,包括生態系統動力學、洋流、波浪以及板塊構造和海底地質; 再加上各種化學物質在海洋內的含量等。科學的海洋研究最早可以追溯到古希臘,亞里士多德和斯特拉波(Strabo, 63 BC– AD 24)都曾記錄了對潮汐的觀測。但是古代探索海洋主要目的大都只是為了製圖,儘管也用了鉛線做深度探測,但也僅此為止。人類對海洋的了解有一段時間都只侷限在淺層海域。真正開啟現代海洋學的壯舉,正是本文的主題:挑戰者號遠征。


    挑戰者號的遠征是1872年至1876年期間,利用英國軍艦挑戰者號(HMS Challenger)所舉行的一次科學考察活動。這次考察不僅有著多項發現,更重要的是這次是一次事前周詳計畫,利用現代裝備,非常系統性的調查,所以才能所以一舉奠定了海洋學的基礎。十九世紀下半葉正是大英帝國最為強盛的時期,日不落國的光芒到達頂點,而皇家海軍縱橫四海,所向無敵,自然也激起了英國國民對海洋的興趣。當時正是歐洲列強四處掠奪,建立殖民地的時代。戰勝拿破崙後的大英帝國正是其中的翹楚。再加上電報的發明,解決了遠距離通訊的問題,而架設跨越大洋的電纜也需要對海底地形,洋流,水溫的理解,六年前開爾文男爵主導的大西洋電纜鋪設能夠完成就很仰賴這些資訊。這是這次遠征的背景。名義上,這次的行動是倫敦皇家學會是在接受愛丁堡大學和默奇斯頓城堡學校的查爾斯·威維爾·湯姆森(Charles Wyville Thomson)提議後展開的。湯姆森是何神聖呢?



     
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    圖片來源:wikimedia common




    湯姆森於1830年3月5日出生於蘇格蘭林利斯戈,父親是醫生。1846年進入愛丁堡大學醫學系,不過他對植物學、動物學和地質學更感興趣。1850-1870年在數所大學教授動物學和植物學。1868-1869年,他在英國海軍資助下進行探險,在4427米的水下發現生物。當時英國科學界流行的是英年早逝的博物學家愛德華·福布斯(Edward Forbes, 1815-1854)的觀點,他認為深海中沒有生物,然而湯姆森的報告《深海》(The Depths of the Sea, 1873)卻闡述了與之針鋒相對的觀點。所以湯姆森向倫敦皇家學會提議這次的行動。

     
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    By Stephencdickson - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=40911306

    倫敦皇家學會從皇家海軍那裡獲得了軍艦挑戰者的使用權,並於1872年對其進行了改裝,以利進行科學任務,並為其配備了相關的實驗室。它的17門砲中的15門被拆除,以提供更多空間來安裝實驗室,額外的一個艙房放置各種科學儀器和一個特殊的挖泥平台。挑戰者在探險期間主要使用風帆動力; 蒸汽機僅用於驅動挖泥機。它裝有標本罐,裡頭裝滿酒精好用於保存樣品,顯微鏡和化學儀器,拖網和挖泥機,溫度計,氣壓計,水採樣瓶,測深儀通通一應俱全。此外還有從海床收集沉積物的裝置以及很長的繩索好將設備懸掛到海洋深處。由於這次探險算是前無古人,某些設備是為此而發明或專門改裝的。 而且探險的規模宏大,光是探測海洋深度的麻繩就準備了181英里(291公里)長!



    1872年12月21日,由皇家海軍上校喬治·納雷斯(George Strong Nares, 1831-1915,後來官拜中將)率領的探險隊從英格蘭港口朴茨茅斯出發。船上其他海軍軍官包括海軍中校約翰·馬克萊爾(John Maclear)。 海軍成員除了船長和馬克萊爾中校以外還有Pelham Aldrich中尉(1844-1930,最後官拜上將),海軍中尉George Granville Campbell (1850-1915,他是時任印度事務大臣第八任阿蓋爾(Argyll)公爵的四子)和Andrew Francis Balfour(1851–1906,蘇格蘭植物學家約翰·赫頓·巴爾弗爾的兒子)。科學工作由湯姆森負責,同行的科學家有助手John Murray(1841-1914),化學家John Young Buchanan(1844-1925),生物學家Henry Nottidge Moseley(1841-1891,著名物理學家亨利·格溫傑·弗里斯·莫斯利的父親)和最後一刻才上船的德國學者Rudolf von Willemoes-Suhm(1847-1875)。弗蘭克·埃弗斯·貝達德(Frank Evers Beddard, 1858-1925)負責解剖標本。瑞士學者約翰·詹姆斯·懷爾德(John James Wild,1824-1900)則是負責樣本的素描與秘書工作。  官員中還有托馬斯·亨利·提扎德(Thomas Henry Tizard),儘管他不屬於文職科學人員,但後來提扎德幫助撰寫這次探險的正式記錄,並成為皇家學會的會員。與他同名的兒子在二戰中在發展軍事武器,特別是雷達立下大功。



    最初的艦隊最初的艦隊上一共有23名軍官六位科學人員和大約240名機組人員。到航程結束時,由於死亡,逃亡,由於疾病而被留在岸上以及因職務調動離開,減少到只剩下144人。這場遠征可不是扮家家酒呀!事實上出航前就有一個船員意外落海,可說是出師不利。


     
    探險隊的第一站從朴茨茅斯(1872年12月)向南駛往里斯本(1873年1月),然後前往直布羅陀。1872年的最後一天,挑戰者號第一次展開挖海泥的作業。在挖泥作業中使用了挑戰者號的兩個現代動力裝置。蒸汽引擎在挖泥期間不斷運轉,讓船舶保持穩定的位置,同時負責放下並收起挖泥機及其數千英尺的線。另一個是甲板上的蒸汽絞車用於拖拉挖泥船。離開里斯本後前往直布羅陀。直布羅陀是英國皇家海軍重要的據點。早在公元1704年,英國在西班牙王位繼承戰爭期間攻佔了地居險要的直布羅陀,1713年《烏特勒支和約》中,西班牙波旁王朝為了換取英國承認其合法性,正式將直布羅陀割讓予英國。自此,直布羅陀一直被英國統治。探險隊在離開直布羅陀後轉向馬德拉島和加那利群島。



    1873年2月至1873年7月他們前往新大陸,從加那利群島向西穿越大西洋,到達維爾京群島,這段旅程中每120英里就需要進行一次測量溫度讀數和採樣海水。停留在維爾京群島的聖湯瑪斯幾周後,挑戰者號向北前往百慕達,在1873年4月和5月從百慕達向北航行至哈利法克斯,哈利法克斯是加拿大諾瓦斯科西亞省的省會,北部最大的深水天然港口。5月19日挑戰者號離開哈利法克斯返回百慕達。百慕達群島是英國的領地,當地有暖和的熱帶氣候、風景優美的海灘。但是十九世紀末的百慕達不像現在是旅遊勝地,而比較像是個軍事基地。



    六月中他們離開百慕達向東前往亞速群島,再回到馬德拉群島,然後向南前往大西洋中的維德角群島。整個挑戰者號的北美行程到此為止。這個時期他們兩次越過墨西哥灣流,沿路測量了洋流的流速。所謂墨西哥灣流,簡稱灣流(Gulf stream),是大西洋上重要的洋流,也是全球最大的洋流。起源於墨西哥灣,經過佛羅里達海峽沿著美國的東部海域與加拿大紐芬蘭省向北,最後跨越北大西洋通往北極海。在大約北緯40度西經30度左右的地方,墨西哥灣流分支成兩股分支,北分支跨入歐洲的海域,成為北大西洋暖流,南分支經由西非重新回到赤道。墨西哥灣流是十六世紀的西班牙水手發現的,而美國開國先賢富蘭克林曾經詳加研究,甚至畫出洋流圖來。當然挑戰者號也針對灣流詳細著研究。它測量洋流的速度,留下重要的資料。今天研究氣溫變遷的學者可以比較十九世紀末與今天的灣流流速就是靠這些寶貴的資料。



    1873年8月挑戰者號離開維德角群島,探險隊先向東南航行,然後掉頭向西前往位在赤道附近的聖保羅巖石。聖彼得岩和聖保羅巖石是在巴西和西非海岸之間的大西洋中一些遙遠的小岩石島。這是地球上為數不多的水下洋脊穿透海面的地方之一。這些孤立的岩石在深海中起著綠洲的作用,為海洋生物在靠近海洋表面時的繁榮提供了主要利基。 儘管這些島嶼幾乎沒有陸地植被,但是豐富的海洋動植物為這裡居住和繁殖的海鳥提供了食物來源。 與大陸的隔離為重要的生態和生物地理環境提供了棲息地。挑戰者號原本為了調查未來鋪設跨大西洋電報電纜而調查附近海域時確認了大西洋中洋脊(:Mid-Atlantic Ridge)的存在,這條洋脊在二十二年前美國科學家馬修·方丹·莫里(Matthew Fontaine Maury)曾推論了它的存在,後來的海底擴張學說及普遍認同由阿爾弗雷德·魏格納提出的大陸漂移學說都與它的發現有密不可分的關聯。



    1873年9月挑戰者號橫貫赤道向南到達費爾南多·迪諾羅尼亞群島,並於同月到達巴西的巴伊亞州。從1873年9月至10月10日,他們從巴伊亞穿越大西洋經過南大西洋的特里斯坦庫涅(Tristan da Cunha),它是全世界最偏遠而有人居住的離島,距離南非2,816公里,距離南美洲3,360公里。它也是英國的領地。1873年10月他們到達好望角,好望角位於大西洋和印度洋的匯合處,強勁的西風急流掀起的驚濤駭浪常年不斷,這裏除風暴危害外,還有很強的沿岸流,當浪與流相遇時,整個海面翻滾,因此,這裏成為世界上最危險的航海地段。好望角的風浪是來自於南半球中緯度地帶終年西風勁吹,風暴頻繁。所以好望角舊稱舊是風暴角。此地在夏季也是西風咆哮,冬季更是寒風凜冽,常年的西風把海水也馴服得環繞地球由西向東奔馳,形成了著名的「西風漂流」,也被稱為南極繞極流(Antarctic Circumpolar Current,簡稱ACC)。探險隊在那裡停留到12月,因為他們需要充分準備下一階段艱苦的極地圈旅程,也在此度過這個旅程的第二個聖誕節。



    1873年12月至1874年2月,在繞遍大西洋之後,挑戰者號展開它的極地之旅,它從好望角(Cape of Good Hope)走與南緯60度的平行線的大致方向前往澳大利亞。在此期間經過了愛德華王子島,克羅澤島,克格倫島和希德島,都是些人煙稀少的荒島。1874年2月,他們在南極環島附近向南旅行,然後向東旅行,途中發現了冰山和鯨魚。冰山景象壯觀,讓隊員驚呼不已,不過他們也非常小心,因為冰山非常地危險。



    挑戰者穿越極地圈的目標之一是找到“ Termination Land”,這是1840年美國Charles Wilkes率領的探險隊繪製的南極洲土地。1838-42年的美國探險隊是美國科學界的一個里程碑。 通常被稱為“威爾克斯遠征”,該遠征帶回了許多地質,植物,動物,人類學和其他材料,為美國的許多科學奠定了基礎。 他們當時航行在南緯64度探險隊遇到了一塊冰牆,它延伸到了肉眼所能看到的範圍。 他將其命名為Termination Land,挑戰者回到原地點測深,確定這裡沒有陸地。1874年2月24日挑戰者號就在海上作業之後撞上了冰山,幸好沒有造成太大的損害。雖然此時挑戰者駛向南極洲附近,但南極洲從未出現在其視線範圍內。人類到達南極還要等到1911年12月14日,挪威探險家羅爾德·阿蒙森率領的5人探險隊抵達南極點,成為人類史上第一批到達該地的人。



    1874年3月挑戰者號終於離開冰區開向東北,並於當月晚些時候到達澳大利亞的墨爾本。自從1770年,英國宣布擁有澳洲主權。1788年1月26日,英國航海家亞瑟·菲利普率領首批移民定居雪梨,並且升起英國國旗,澳洲正式成為英國殖民地。從1788年至1868年的80年期間,英國才轉向澳洲送囚,同時協助開墾澳洲大陸。根據統計,這期間英國送至澳洲的總囚犯數為16萬5千人左右。但是由於新南威爾斯州的貝瑟斯特、維多利亞州的巴拉瑞特發現金礦,自由移民開始激烈增長。澳大利亞也是南極探險的出發地。墨爾本於1835年正式建城。1840年全城人口有1萬人,最早的城市移民來自英國的自由民。墨爾本於1847年獲維多利亞女王授予城市地位,其後成為剛設立的維多利亞州首府。1850年,殖民者在墨爾本周邊發現金礦,使其快速發展,來自世界各地的大批人口紛紛移民至,其中包括英國、愛爾蘭、德國、義大利、荷蘭及中國等,墨爾本遂得名新金山;另外的一座在此前發現金礦的美國城市金山則被改稱為舊金山。



    1874年4月,挑戰者號經過威爾遜岬(Wilsons Promontory)和豪恩角(Cape Howe)來到雪梨。1874年6月,它從雪梨向東,在到達威靈頓之前,在南島北邊海岸的迪維爾島作了短暫停留後,再穿越夏洛特女王峽灣和庫克海峽到達威靈頓。庫克海峽位於紐西蘭北島、南島之間,取名紀念的是英國探險家詹姆斯·庫克。他是第一位航行通過這海峽的歐洲人(1770年)。海峽最窄處僅23公里。好天氣時,兩島在此隔著海峽可以輕易互望。就海峽兩岸的緯度而言,南島最北點還低於北島最南點。海峽平均水深128公尺,峽內經常風強浪大。

     
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    圖片來源:123rf

    離開威靈頓之後,挑戰者號隨後向北走向太平洋,接著從威靈頓到東加再沿紐西蘭北島的東海岸,然後向北和向東進入開闊的太平洋,途經克馬德克群島,然後到達東加群島的主要島嶼東加塔布(當時稱為友誼島) 島嶼。 1874年7月下旬至8月初,在距東加西北部不遠的斐濟群島周圍海域進行了調查。然後,將船的航向向西行駛,到達大堡礁外緣的雷恩島,然後在8月底又向西返回澳大利亞的約克角。



    其實當挑戰者號抵達斐濟附近時,正值斐濟多事之秋。1871年斐濟王國成立,但是經濟和社會一直不穩定,在國王卡考鮑的要求下,在斐濟的英國人瑟斯頓接觸了英國政府並轉達國王願意出讓群島的提議。隨後,兩名英國特使來到斐濟研究合併的可能性。但由於卡考鮑和他的競爭對權力分配的爭執,斐濟併入英國的問題變得複雜起來,直到1874年3月21日,卡考鮑終於作出決斷,英國人隨即接受。9月23日,負責處理斐濟併入英國事務的夏喬士·羅便臣爵士(後來他被任命為斐濟殖民地首任總督)乘坐小型風帆戰船「迪多」號抵達斐濟,卡考鮑以鳴槍21響的王家禮節迎接了他。1874年10月10日成立了幾乎持續一個世紀的斐濟殖民地。至於東加則是從1845年至1893年成為一個統一而獨立的國家1875年11月制定了一部現代憲法(1875)和一部法典,建立了行政機構。1900年東加成為英國保護國,以防德國入侵。根據與英國簽訂的條約(1905年修改),東加同意一切外交事務經由英國領事處理,該領事對東加的外交政策和財政問題有否決權1970年,東加獲內政和外交的全面控制權,成為大英國協內的獨立國家。當時英國勢力在南太平洋以澳大利亞維基礎向四周發展,日不落帝國不是叫假的。這次遠征也是靠著英國在各處殖民地的軍港才能順利補給,完成長達三年半的遠征。
    接下來 挑戰者號的旅程會遇到哪麼阻礙,遠征結束後又會有哪些影響,這些還請各位看官稍待,且聽下回分解。




    參考資料:
    (一)中文 英文維基相關條目
    (二)https://web.archive.org/web/20090208164828/http://aquarium.ucsd.edu/Education/Learning_Resources/Challenger/science.php
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    延伸閱讀:
    奠定海洋學基礎的壯舉(下) :挑戰者號的七萬里長征
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