By OCAdmin in 本所消息 on

海洋中公分等級的不規則、隨機的流體運動，稱為「紊流」。紊流的現象遍及全球海域，對離散海洋物質、傳輸動量、熱量以及溶質等，其效力遠大於分子擴散作用。水團藉由紊流混和的過程往往伴隨熱與能量的交換，因而改變中、小尺度水團的特性，進而影響全球溫鹽環流與大氣現象，同時也是海洋工程或離岸結構設計中（如風機）不能不考慮的重要因素，此外海洋中的生物、地質及化學性質無不受其影響。然而在國內海洋物理領域裡，紊流的觀測研究仍相當缺乏。有鑑於此，本所自2017年起開始購入紊流剖面儀及專用絞機，並發展其觀測技術，在歷經多次現場測試後，至今已趨於成熟。紊流剖面儀的觀測方式與外觀如圖一所示，紊流剖面儀的專用絞機可控制儀器下放，經由電纜可將即時的紊流資料傳輸到控制電腦，由於紊流的觀測需要相當高頻的採樣，故需要特製絞機電纜來傳輸資料，其主體擁有魚雷般修長、流線的外型，兩個長鬚狀的翅膀(圖一右)目的是為增加儀器在水中下沉過程的阻力，以確保儀器處於不受繫纜影響的自由降落狀態，降低非自然訊號的干擾。

圖一、紊流剖面儀於海研一號上船尾施放的情況。

紊流測量的基本原理為利用壓電效應，將壓電薄片以矽膠包裹(圖二白色探頭)，稱之為切變探針，在往深海施放過程中，由於小尺度紊流會造成公分等級的流切變化，使得薄片受壓產生震動，此機械能經壓電薄片轉化為電壓，成為我們所觀測到的紊流訊號。紊流剖面儀標準配備通常會有兩組互相垂直切變探針，主要目的是經由兩組垂向測量資料評估紊流的非等相性。此外，快溫探針(圖二黑色探頭)可快速紀錄溫度場變化，用以觀測紊流造成的溫度場翻轉變異量，也同樣可以轉化為紊流強度。紊流強度通常以紊流動能能量消散率來量化，如圖三所示，貴儀技術人員曾經成功地在花蓮外海的黑潮流域上測得上層1000公尺的紊流強度，約為10^-10－10^-8 WKg^-1，符合一般開放性大洋的觀測值。

圖二、紊流剖面儀的探針，白色針頭為切變探針，黑色針頭為快溫探針。

圖三、黑潮流域裡測得的上層1000公尺紊流動能能量消散率。

紊流除了影響水團混和、熱對流，海水化學物種及營養鹽的分布，也影響海洋浮游生物的攝食、生長、族群添入、垂直移動和避敵。近來研究也顯示海洋生物在水層中大規模的運動也會引發紊流，進而改變海洋的物理和化學特性。另外，除了水層中的紊流，接近海床的紊流則往往跟強底流、崎嶇地形及大尺度內潮能量有關，可能影響低棲生物的食物供給、海床與水層間的物質交換，也可能侵蝕海床，進而影響底棲生物的生長、攝食及生存。因此海洋中的紊流可算是相當複雜且跨領域的現象，而進行這樣的研究最大的挑戰就是同步觀測紊流以及與其交互影響的複雜因子（例如海洋生物的種類、數量及行為等等）。本所的紊流剖面儀是國內第一台深水型的紊流儀，算是臺灣海洋學研究跨入精準測量海洋紊流的第一步，而本所的研究人員與技術人員也積極嘗試其他跨領域的技術（如水下攝影、影像測速技術、或加裝生地化探針等），期望未來以紊流剖面儀為觀測平台，在相同時空尺度下同步測量海洋物理及生地化參數。此外，不同領域研究人員也可能透過同步觀側紊流以及生物採樣（如浮游生物或底棲生物）來解答紊流在海洋生態系統扮演的角色或海洋生物對紊流的影響。(魏志潾、張明輝，2018/8/28)