圖片：奧勞斯·馬格努斯（Olaus Magnus）所繪製《北方土地與海洋地圖的描述》(Carta marina et descriptio septentrionalium terrarum；Carta marina）。注意在地圖中央上方斯堪地那維亞半島的西邊有一個大漩渦，這就是著名的默斯肯漩渦(Moskstraumen或Moskenstraumen)(圖片引自維基共享資源)
作者：嚴融怡
在生活周遭，其實我們處處都可以看見渦流的產生，像是如果我們在透明杯子鑿洞，則水流漏水的過程有時便可以產生一個塞孔渦。在流體動力學當中，渦旋（Vortex，複數形為Vortices或Vortexes）是指流體順著某個方向環繞直線或曲線軸的區域。而這類的運動模式即是渦流（Vortical flow）。世界上有幾處比較著名的海洋渦流區域，包括位於位在加拿大的老母豬漩渦(Old Sow whirlpool)、位在挪威的薩爾特漩渦(Saltstraumen)、蘇格蘭附近的阿貝漩渦(Corryvreckan)、位於日本鳴門海峽的鳴門漩渦、以及同樣位處挪威海域的默斯肯漩渦(Moskstraumen或Moskenstraumen)。其中默斯肯漩渦是這幾處著名漩渦當中最特殊的，它也是少數發生在開闊海面上，而非出現於狹窄海峽或河流當中的渦流。在附近強大的半日潮汐與海床的特殊形狀—莫斯克內斯島和韋島之間的一個淺海脊能夠放大並旋轉潮流，使得這一巨大渦流得以被製造出來，其最大直徑可以達到40~50公尺，所激起的漣漪則可高達一公尺，水流則可綿延8公里寬。該處渦流也是附近很多海洋生物喜歡群聚的區域，由於它的形成與潮汐息息相關，因此在滿月和新月時最強，在半月時最弱。這個大漩渦在古代北歐的航海當中伴隨著很多的傳說，尤其早期帶有龍骨的帆船或更小的人力船隻在航行經過這個漩渦的確有其危險和吃力的情形。而在大航海時代，其實對於大部份歐洲人而言，他們對於地處偏遠的北歐海陸環境都相對比較不熟悉，但是有一個重要的人卻透過他的書籍和地圖完整地為歐洲人呈現北歐的重要地理資訊，這個人便是奧勞斯·馬格努斯（Olaus Magnus），他所繪製的海陸地圖也是早期標註默斯肯漩渦的重要地圖。
奧勞斯·馬格努斯（Olaus Magnus）是十六世紀瑞典的天主教教士、製圖師與作家。他的兄長約翰內斯·馬格努斯(Johannes Magnus)則是瑞典最後的天主教大主教，他們兄弟兩人深受當時瑞典抵抗丹麥統治的中興之主古斯塔夫一世(Gustav Vasa；Gustav I)的信任。古斯塔夫一世在戰勝丹麥人並收復斯德哥爾摩之後，他放逐了曾與丹麥人勾結的瑞典天主教大主教特羅勒。並寫信給教皇克萊孟七世，要求教皇接受他提名的新烏普薩拉大主教人選約翰內斯·馬格努斯，教皇不願意接受並執意要古斯塔夫一世恢復特羅勒的職位，於是古斯塔夫一世自行決定大主教的人選，使得教皇失去對瑞典教會的影響力。約翰內斯·馬格努斯成為效忠於國王的烏普薩拉大主教，而奧勞斯·馬格努斯則成為國王的外交人員，除了出使羅馬，也曾成功簽訂與荷蘭的貿易關係。但後來隨著路德教派傳入瑞典，而讓古斯塔夫一世有了完全和教皇決裂的機會，這兩兄弟由於不願意脫離天主教，又都被流放到國外。奧勞斯在1537年定居羅馬，擔任其兄弟的秘書。1544年，約翰內斯去世，教皇保羅三世任命他為約翰內斯的繼任者，成為烏普薩拉大主教，但由於瑞典已不再信奉天主教，他的職銜其實只是個虛銜。之後奧勞斯也曾協助波蘭國王，然後最後他在羅馬的聖布里吉塔修道院度過了餘生。
在十六世紀西方的宗教衝突背景當中，身為天主教士的奧勞斯·馬格努斯（Olaus Magnus）剛好處在這個時代的漩渦當中，因此也注定他顛沛流離的一生。但是奧勞斯的生涯剛好也遇到北方文藝復興運動，這是一個更為深入歐洲北部的文藝復興時期，同時印刷術和大學教育的日益普及，也正帶動新一波學術活動。而奧勞斯也是在這時期完成他極為重要的地理著作，其中一個是他最著名的論著：《北方民族描述》(Historia de Gentibus Septentrionalibus)這本書深刻描述了瑞典區域重要的地理特徵與民俗和歷史包括黑暗的冬天、洶湧的海流、北歐人如何保存食物、北方人的生活習慣、不同種類的野生動物以及傳說中的海怪等等，直到今日，這本書仍舊是關於古代斯堪的納維亞習俗與民間傳說等許多研究上的寶貴資料。
圖片：奧勞斯·馬格努斯（Olaus Magnus）所編著《北方民族描述》當中的北歐神祇插畫，分別為弗麗嘉、奧丁和索爾(圖片引自維基共享資源)。
另外一個則是早於《北方民族描述》約十五年出版的《北方土地與海洋地圖的描述》(有些版本譯為“碼頭憲章”或是“卡爾塔碼頭”；Carta marina et descriptio septentrionalium terrarum；通常縮寫為Carta marina）。這個初版於1539年的地圖也是世界上第一個給出細節和地名的北歐國家地圖。這張地圖涵蓋了瑞典、挪威、丹麥、冰島、芬蘭、立陶宛、愛沙尼亞與拉脫維亞等國，以經度和緯度為框架，描述了55度到北極圈一帶的陸地與海流。這張高125厘米，寬170厘米的大幅地圖，雖然無可避免地還是畫了傳說中的海怪，但卻包含了很多過去早期地圖上所未能標註的眾多地理細節。奧勞斯也是普遍被認為世界上第一個提出東北航道想法的人，他的地圖也給予航海家一定程度的重要參考，後來第二版是由Antoine Lafréry於1572年所出版。值得注意的是這張地圖是世界上早期地圖當中少數明確標註海洋渦流的地圖。它所標註的便是北歐最著名的默斯肯漩渦(Moskstraumen或Moskenstraumen)。
海洋當中的大型渦流其實並不僅限於古代以來包括默斯肯漩渦、鳴門漩渦這類著名的渦流，這幾處較為有名並且一直持久產生的渦流主要是源自於特定地理環境與穩定海流環境的持續塑造。但是海洋當中其實存在著更多壽命很短的渦流，且這些渦流也影響著海洋的氣候、生態與物理化學循環等。這類渦流雖然只有短命的幾個月壽命，但有的可以延伸幾十公里甚至幾百公里，它們經常會由主要洋流當中分離出來。而正由於它們是從主要洋流當中所分離出去的，因此這些渦流也勢必會改變洋流原先軌跡所會影響的區域，像是從炎熱的墨西哥灣流當中分離出去的渦流也就攜帶著原先洋流母體的熱量，並進一步影響渦流流經水域的氣候調節。而最近紐約州羅徹斯特大學(Unversity of Rochester, NY)的研究團隊更發現海洋當中大型的風其實是造成渦流消亡的重要原因。在過去也曾有針對海洋渦流的相關假說，像是雙渦流伴生的理論，但有些理論因為不容易作實際觀測而一直限於理論層級，不過拜人類越來越高端的衛星技術所賜，2017年英國利物浦大學海洋學家克利斯休斯（Chris Hughes)在觀察澳洲周圍海洋的衛星影像時，終於首次發現伴生雙渦流的存在。休斯此次研究中同時觀察了衛星的海平面測量數據與海面溫度圖像，在澳洲與紐西蘭之間的塔斯曼海（Tasman Sea）中發現一對伴生且方向與其他渦流方向都相反的渦流系統。由於伴生的雙渦流系統可以維持半年的時間，雖然科學家還不是很清楚雙渦流之間它們在自然界當中比較常會傾向相互干擾、消解或是彼此融合等發展情形。但是考慮到與洋流或單渦流相比，這些雙漩渦產生的極快速度，研究人員推測它們甚至可能像一種陷阱，能夠捕捉並運輸任何被吸入的物質或能量傳遞到遙遠水域的其他地方。於是小型海洋生物如果被雙渦流吞噬，很可能會被高速帶著走並且長距離穿越海洋之後抵達某個目的地，而且也不只小生物，還有熱量、礦物質、營養物質都可能藉由雙渦流從海洋的某一端傳輸到另一端，於是某些物種甚至可能適應這樣的運動水體，因為自然界很可能有特定魚類會因為渦流中的養分物質而主動選擇跟隨渦流，當然會這樣選擇的也不只是魚類。所以海洋的渦流真的有可能對於海洋物理、海洋化學以及海洋生物學的研究學者都造成某些不可確定性的干擾因素，也是一些預估模型應該要考慮的一環。另外，液體渦流的現象也不是僅只在巨觀尺度下會對生物有所影響，有時在微觀尺度一樣具有不小的作用。像是科學家在2014年發現當一群枯草桿菌(B. subtilis)被限制在一滴水當中時，會發生一件非常奇怪的事情。所有這些細菌的混亂運動會好像自發性組織成一個漩渦，液滴外邊緣的細菌向一個方向移動，而內部的細菌則朝反方向移動。但實際上這不是細菌自主性的群體行為，反而是一種微觀尺度下的流體運動，因為在這種尺度下，流向細菌們的流體會感覺非常黏稠—與我們在空氣中甚至在水中活動所體驗到的情形十分不同。其結果是，細菌的任何運動都會引起流動的擾動，它們會強烈地感受到鄰居之間的擾動。到最後反而會受到集體所造成的流體流動所影響，變得有些身不由主。也因此水滴中奇異的細菌漩渦現象或許也可為未來如何設計某些限制細菌移動和傳播的科技提供新的啟發。
圖片：以輕航機配合彩色染料製造的有色氣體漩渦(圖片引自維基共享資源)
實際上，雖然在流體力學當中，液體渦流還是與氣體渦流有一些不一樣的特點，但是兩者之間也仍有許多概念上的相同之處以及公式上通用的區塊。大航海時期，已經有科學家關注渦流的形成與作用的機制，甚至更思索渦流如何運用在更為宏觀的天體運行方面。1703年，法國哲學家笛卡兒(Rene Descartes)甚至曾提出『太陽渦流 (solar vortex，又稱為漩渦理論)』的概念，以試圖敘述行星繞行太陽公轉與彗星出沒的機制。渦旋理論為當時的自然哲學家提供了一種與機械哲學相容的高度直觀天體現象模型。這個理論有一段時間被學界認為優於牛頓的萬有引力定律，因為它沒有將行星軌道或地球上自由落體的原因假定為當時相對神秘的、而不可見的性質（重力）。渦旋理論同樣為所有行星軌道的共同方向提供了內在的解釋。並且由於笛卡兒沒有特別強調地球的運動，而是希望透過靜止的地球環繞太陽的漩渦帶來解釋地球和太陽的相對運動，而這點正好可以避免與當時天主教會的審查制度起衝突，地球運動觀點正好是教會對伽利略持反對立場的重要原因。笛卡兒對太陽系的運作有其特殊的循環運動粒子動力學的解釋，不過他和他的學派缺乏數學模型與真實實驗的理論架構，因此後來仍舊是敗給了牛頓的萬有引力定律。不過它仍舊有其後續的影響力，畢竟漩渦是一個從地球上一直到外太空都經常出現的現象，於是到了天體物理學家所面對愛因斯坦的重力場，尤其是黑洞所衍伸出來的各類物體系統相對運動或是地球物理學家面對傅科擺偏轉背後的機制等等，也都不可避免地再次出現了各類渦流的相關理論。
圖片：笛卡兒的太陽渦流理論雖然後來被牛頓的萬有引力定律所取代，但對於後世物理學其實仍有重要的影響力(圖片引自維基共享資源)
特別是行星科學當中，木星的表面本身就是一大堆的渦流，那種一些有點類似卡布奇諾般的紋路，又有些類似木頭的大年輪以及那顆大紅斑等等，打從伽利略時代就已經有人對這些紋路感到非常的好奇。後來科學家又知道木星大氣層特殊的噴流系統造就了它表面特殊的帶狀結構。那渦流呢？2019年澳大利亞的兩項研究中映證了木星著名的大紅斑是由典型混沌渦流運動所形成的大規模漩渦。實際上，諾貝爾化學獎得主拉斯·昂薩格 (Lars Onsager)曾於1949年就提出了一個簡單的理論來解釋最初二維湍流流動所形成的大規模渦旋運動。Lars Onsager的理論也成為解釋木星大紅斑形成最重要的理論，他認為隨著更多的能量被投入到湍流二維系統當中那些小渦旋的混沌混合中，隨著時間的推移，渦旋會以相同的方向旋轉並聚集形成更大、更穩定的漩渦，最終讓系統變得更有序，而不是更紊亂。為了讓他的理論更容易處理，他考慮了超流體系統(具有量化角動量的渦流)，後來理查·費曼又進一步發展這項概念。不過，Onsager的理論描述了一個二維湍流系統的能量聚集在高能、長壽命、大規模的漩渦中。這是一種不尋常的平衡狀態，其中熵作為能量的函數減少—與我們認為的“正常”熱力學狀態相反。而且儘管 Onsager的二維湍流物理系統很有吸引力，但它只能對一種特殊類型的流體進行定量預測：“超流體”，它在流動時沒有任何黏性或阻力，並且只能在極低的溫度下實現。這也使得對他的理論在實際測試變得相當困難。後來澳洲科學家的兩項研究都使用了玻色愛因斯坦凝聚體 (BEC)來進行實驗，BEC是一種存在於超低溫下的量子態，但其中量子效應在巨觀尺度上卻變得可見。研究人員運用雷射在銣原子凝聚物中產生湍流，並觀察由此產生的渦流隨時間的變化。後來發現系統確實如同 Lars Onsager的理論，以相對隨機的渦旋分佈開始的狀態之後會自我調節，之後產生一定程度的穩定性。
圖片：木星表面有一大群渦流和大紅斑(引自維基共享資源)
人類在關注渦旋、渦流這類現象已經有好幾百年的歷史，雖然它們確實有它們的複雜性，但是卻也相當有趣，這些旋轉的東西確實也是大自然蘊藏重要某些奧秘的所在區域。
參考引用資料：
1.北方文藝復興- 维基百科 https://zh.wikipedia.org/wiki/北方文藝復興
2.太陽系的前世今生 (19)：牛頓的「萬有引力」概念─AEEA天文教育資訊網 http://aeea.nmns.edu.tw/2013/1301/ap130119.html
3.世界史 — 文藝復興與宗教改革 https://medium.com/世界歷史/世界史-文藝復興-195fffbdd519
4.古斯塔夫·瓦薩─維基百科 https://zh.wikipedia.org/wiki/古斯塔夫·瓦萨
5.渦旋─維基百科 https://zh.wikipedia.org/wiki/渦旋
6.瑞典宗教─維基百科 https://zh.wikipedia.org/wiki/瑞典宗教
7.默斯肯漩渦─維基百科 https://zh.wikipedia.org/wiki/默斯肯漩涡
8.Descartes' Physics (Stanford Encyclopedia of Philosophy) https://plato.stanford.edu/entries/descartes-physics/
9.Eddy Killing in the Ocean -EOS https://eos.org/articles/eddy-killing-in-the-ocean?fbclid=IwAR0lTsmtix4B0_wF54usoDXrDwfjTTj0SopNYLL4R7O4JeQqnPOnOiuNK3s
10.Emergence of bacterial vortex explained -ScienceDaily https://www.sciencedaily.com/releases/2014/06/140623154757.htm
11.J. S. Wettlaufer. 2011. Cartesian vortex theory, cosmic vortices, and the route to cosmogony. Physics Today 64(5):66 DOI:10.1063/PT.3.1230 -researchgate https://www.researchgate.net/publication/274046207_Cartesian_vortex_theory_cosmic_vortices_and_the_route_to_cosmogony
12.Map of the Sea - World Digital Library https://www.wdl.org/en/item/3037/
13.Olaus Magnus - Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Olaus_Magnus
14.Old Sow whirlpool - Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Old_Sow_whirlpool
15.Order from chaos: Australian vortex studies are first proof of 70-year-old theory of turbulence in fluids -phys.org https://phys.org/news/2019-06-chaos-australian-vortex-proof-decades-old.html
16.Scientists Observe Bizarre 'Double Whirlpools' in The Ocean For The First Time -science alert https://www.sciencealert.com/scientists-observe-bizarre-double-whirlpools-in-the-ocean-for-the-first-time
17.Whirlpool - Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Whirlpool
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