在海裡「一回神就被沖到外海」,
為什麼會發生?
明明海浪一直朝著岸邊打來,人卻會被帶往外海,這是為什麼呢?其實,打上岸的水必須有回到海裡的路,而這個「出口」就出現在海水浴場的各個角落。先把複雜的原理放一邊,我們從「確實存在這種地方」開始說起。
晴朗的海水浴場。水深到腰部左右,你和朋友站著聊天。海浪一波接一波地朝岸邊打來。
忽然抬頭一看,剛才明明就在眼前的陽傘,不知不覺變得好遠。你慌張地朝岸邊游,卻游不動。不僅如此,岸邊看起來越來越小。呼吸開始變得急促。
這種「朝外海方向流動的帶狀水流」,稱為離岸流。它被認為是海水浴事故中最常見的原因之一。
它沒有向下拉的力量。這是一種在水面沿著方向朝外海流動的水流。人之所以會溺水,是因為逆著水流拚命游,最終力氣耗盡。
強勁的離岸流速度,據說有時可達到與競泳頂尖選手全力衝刺相當的速度。而且人很難察覺自己其實沒有前進。
所以,最不該做的事就是「朝著岸邊拚命直線游」。接下來,我們依序來看看這種水流是怎麼形成的。
為什麼會形成「朝外海的水流」
海浪一直朝著岸邊打來,也就是說海水不斷被搬運到岸邊那一側。但水不會一直堆積在岸上。理所當然地,被搬運過來的水,必須從某處回到海裡。
這時海底的地形就發揮了作用。許多海水浴場,在離岸邊稍遠處會有沙堆隆起形成的淺灘(沙洲、沙堤),與岸邊平行延伸。海浪就在這片淺灘處碎開變白。
然而這道沙堤有些地方會中斷。那裡水比較深,浪就不會碎開。於是就會發生以下的情況。
在海浪碎開的地方,水會被推向岸邊那一側,水面會稍微升高一點點。這「一點點的高度差」,就成了讓水流回去的力量。
要回流的水,穿過中斷較深的地方,比越過淺淺的沙堤要輕鬆得多。所以廣大範圍的水會匯集到一處,只有那裡水流會變快。
用河流來比喻,就像廣闊的田地裡的水匯集到一條細小的水道一樣。匯集的範圍越廣、出口越窄,出口的水流就越快。
聽到「被拖到外海」,你可能會想像被拉到水裡的畫面。這是錯的。離岸流是在靠近水面處,朝外海橫向流動的水流。它沒有向下拉的力量。
那麼,人為什麼會溺水呢?是因為逆著水流拚命游,最終力氣耗盡。也就是說,離岸流最危險的地方,不是水流本身,而是「拚命想游回岸邊」這個反應。
為什麼游不回岸邊
離岸流的速度會因地點和海浪大小而有很大差異,但據說從每秒約0.3公尺,強勁時可超過每秒2公尺。
這是什麼概念呢?競泳頂尖選手全力衝刺的速度,大約在每秒2公尺左右。也就是說,遇到強勁的離岸流,就算是奧運選手也可能無法前進。一般人穿泳衣游泳的速度,還不到這個速度的一半。
而且,可怕的是「很難察覺自己其實沒有前進」。在水中,自己確實在游泳,手腳也確實在動。往往要看到周圍的景色才會發現自己沒有前進。而那時,體力已經耗損了相當多。
而是讓人耗盡體力後沉下去。
該怎麼辨識呢?
只要知道特徵,離岸流有時候從岸上就能看得出來。下水前,建議先從稍高一點的地方觀察1到2分鐘。
- 唯獨一處浪不碎、呈暗色的帶狀水域(左右兩側都有白色浪花,只有那裡沒有)
- 被捲起的沙攪濁的水呈帶狀朝外海方向延伸
- 海藻、垃圾或泡沫持續被帶往外海方向
- 只有那個地方海面波動顯得雜亂不平
- 有「禁止游泳」「禁止進入」告示的地方。救生員以旗子標示的範圍之外
不過要注意,看起來最平靜的地方,往往就是離岸流。浪不起=安全,這個想法並不成立。反而常常正好相反。
離岸流出現的位置,也會受海岸地形影響。防波堤、突堤或岩岸旁邊,容易成為水流回海裡的通道。已知沿著堤防容易形成朝外海方向的水流。
如果被沖走了怎麼辦
- 不要慌,浮起來呼救離岸流不會把人往下拖。仰躺浮起確保呼吸,並大力揮手求救。首要之務是保留體力。
- 不要朝著岸邊直線游這是最不該做的事。正面逆著水流游,只會白白耗掉體力。
- 如果要游,就往與岸邊平行(橫向)的方向離岸流的寬度,多數情況據說在10到30公尺左右。只要橫向移動一小段距離,有時就能脫離水流範圍。脫離後再斜向游回岸邊。
在水難事故中,試圖下水救人的人反而遇難的情況一再發生。如果自己跳進同一道水流,結果也會一樣。
- 呼叫救生員或監視員(選擇有救生員的海水浴場,本身就是最重要的安全措施)
- 拋出漂浮物 ― 救生圈、浮板、保冷箱、裝了寶特瓶的袋子。若有繩子,可拋出後拉回
- 報案通報 ― 海上事故請撥118(海上保安廳)。撥119(消防)也能接通。不確定時撥哪一個都可以
- 對著被沖走的人大喊「浮起來等待」。這是日本廣泛使用的呼救口訣。
離岸流的危險在於「體力耗盡而無法浮起」,所以能持續浮在水面直接關係到能否生存。在海邊玩水時穿著救生衣的效果,比在河邊玩水更加明顯。請務必讓小孩穿上救生衣。
浴缸裡也會發生類似的現象
- 用手反覆把浴缸裡的水推向一側的缸壁(想像成製造海浪)
- 觀察被推向那一側的水面稍微升高一點點
- 停手後,升高的水會流回來。這時用手或身體做出一個狹窄的「縫隙」,回流的水就會集中從那裡快速通過
「把水搬到一側 → 堆積的水回流 → 出口越窄流速越快」。離岸流的原理,就和這3個步驟一樣。在海裡,這種現象以寬10公尺、長數十公尺的規模,不間斷地持續發生。
總結
離岸流不是什麼特殊的異常現象。既然海浪不斷把水搬到岸邊,那麼這些水回到海裡的路就一定會形成,這是理所當然的結果。真正危險的不是水流本身,而是我們逆著水流反應的方式。
浪沒有碎開、顯得暗沉平靜的帶狀水域。
那裡可能就是「海的出口」。
水流即使沒有外力作用,也會形成意想不到的形態,這方面的例子還有河流左右大幅彎曲蜿蜒前進的河曲文章,歡迎一併閱讀。海裡的危險不只有水流。碰到水母觸手時的正確處理方法,請見這篇文章的說明。
想了解更多的人 ― 術語、公式與教科書的關聯從國中理科到研究中的話題,都會明確標示是哪個程度的內容
- 國中國中理科學到的範圍
- 高中高中「物理基礎」學到的範圍
- 高中+高中「物理」,或教科書中發展、專欄性質的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目(海岸工程學、流體力學)的內容
- 研究連大學也不當作「定論」教授、目前研究者仍在調查中的話題
國中術語:這個現象是有名字的
- 離岸流:正文中提到的「朝外海方向的帶狀水流」。英文稱為 rip current。是「rip(撕裂)」而不是「rip tide(潮汐)」。這與潮汐漲退是不同的現象,在英語世界也有人提醒「稱為 rip tide(離岸潮)是錯誤的」。
- 沙洲、沙堤:正文中提到的「水下沙堆隆起處」。決定海浪碎開的位置。
- 碎波帶:從海浪碎開到岸邊之間,白色浪花翻滾的帶狀區域。離岸流就在這個範圍內開始形成。
- 向岸流、沿岸流:朝岸邊流動的水流、與岸邊平行流動的水流。與離岸流合在一起,構成一個循環。
國中高中為什麼水面會微微升高
正文中提到「海浪把水搬到岸邊,水面會稍微升高」。這種隆起現象稱為波浪增水(wave setup),據說在碎波帶內側可達到數公分到數十公分左右。
水面即使只是稍微升高,也會產生水壓差。水壓與深度成正比,所以水面較高一側的底部壓力也較大。這個壓力差,就成為把水推回外海的力量。這正是國中理科「水壓由深度決定」這個原理在發揮作用的場景。
高中用公式驗證:離岸流到底有多快
就算被告知「不要逆著水流游」,如果不知道到底有多不可行,緊急時身體也不會聽話。速度是可以用計算求出的。
寬度 × 速度 = 定值(進來的水量 = 出去的水量)
| 寬度 | 水流通道的寬度[m] |
| 速度 | 水流的速度[m/s] |
| 定值 | 進來的水,一定會等量流出去 |
海浪搬到岸邊的水,必須從某處流回外海。從廣大範圍進來的水,從狹窄的一處流出去。這個公式告訴我們這時會發生什麼事。
這和用手指捏住水管出口時水流變強是同一個原理。通道變窄多少,速度就會變快多少。
| 海浪把水搬到岸邊的海岸寬度 | 設為 100 m |
| 流回外海的水流寬度 | 設為 10 m |
| 通道縮窄了多少倍 | 100 ÷ 10 = 收窄為10倍 |
| 流向岸邊的水流速度 | 0.2 m/s(比慢走還慢) |
| 離岸流的速度 | 0.2 × 10 = 2 m/s |
| 換算成時速 | 2 × 3.6 = 7.2 km/h |
幾乎察覺不到的緩慢水流,收窄10倍後就變成每秒2公尺。沙灘上看起來什麼事都沒發生,卻只有那一處水流特別快。看起來平靜,正是因為狹窄。
每秒2公尺是什麼概念呢?據說幾乎等同於競泳一流選手全力游泳的速度。一般人穿著海水浴的裝備游泳,頂多也就每秒1公尺左右。
| 離岸流的速度 | 2 m/s |
| 自己全力游泳的速度 | 設為 1 m/s |
| 相減後 | 2 − 1 = 每秒被帶往外海1 m |
| 1分鐘後 | 1 × 60 = 被帶往外海60 m |
明明在全力游泳,1分鐘卻被帶往外海60公尺。「明明在游泳,岸邊卻越來越遠」,這種可怕情境的真相就是這樣。而且全力游泳只能維持幾分鐘。只會先把體力耗盡。
同一個公式,也能告訴我們該怎麼逃。離岸流的寬度很窄。在②中設為10公尺。要脫離,只需要橫越這段寬度即可。
| 水流寬度 | 10 m |
| 橫向慢慢游的速度 | 0.5 m/s(不必慌張的速度) |
| 脫離所需時間 | 10 ÷ 0.5 = 20 秒 |
逆流而上,1分鐘被帶往外海60公尺;橫向游,20秒就能脫離。用相同的體力,結果卻天差地別。
在這段時間裡雖然會被帶往外海,但離岸流據說最終會在外海減弱。脫離水流範圍後,再斜向游回岸邊。浮著等待救援也是正確的選擇。只要能保持浮起,就能撐到水流減弱為止。
※ 寬度與速度會因地點而有很大差異,此處數值只是用來說明原理的例子。實際海況中,水流的方向與寬度都不是固定的。「往橫向游」並非永遠是最佳選擇,這點會在後面的章節說明。
高中水流速度與水量的關係
從廣大範圍匯集的水通過狹窄出口時,單位時間內通過的水量不會改變,所以截面越窄,流速就越快。這是截面積 × 流速 = 定值(連續方程式)的關係。這和用手指捏住水管出口,水就會噴得又急又遠是同一個道理。
離岸流的寬度狹窄,同時又從周圍廣大範圍匯集水量,這樣的結構本身,可以說就是設計成會產生快速水流。
高中+逆著水流游會發生什麼事
把游泳速度設為 Vs、水流速度設為 Vr,那麼相對於岸邊前進的速度就是 Vs − Vr。到這裡都只是單純的速度合成(高中物理的相對速度)。
問題出在體力的消耗上。在水中前進時受到的阻力,大約與速度的平方成正比,而逆著這個阻力所做的功的比例(功率)則大約與速度的三次方成正比增加。這就是為什麼全力游泳時,體力消耗會一下子暴增的原因。
| 一般人游泳的速度 | 約 0.5 〜 1.0 m/s |
| 競泳頂尖選手全力衝刺 | 約 2 m/s 前後 |
| 離岸流的速度 | 0.3 m/s 左右 〜 有時超過 2 m/s |
| 結果 | 水流強勁時,即使全力游泳也無法靠近岸邊 |
※ 數值僅供參考。實際離岸流的速度,據說會因波高、潮位、海底地形而有很大差異。
大學為什麼海浪能讓水面升高
海浪碎開時,為什麼水面會升高?用來說明這一點的概念是輻射應力(波浪的radiation stress)。海浪帶著動量前進,碎開使波高減少時,動量變化的部分會以力的形式傳遞給水體。這個力與水面坡度造成的壓力差取得平衡時,就決定了水面隆起的高度。
這個概念是 Longuet-Higgins 與 Stewart 在1960年代整理出來的,成為統一說明離岸流、沿岸流、波浪增水的海岸工程學基礎。高中不會教到,是大學海岸工程學、波動力學的內容。
另外,決定離岸流位置的因素,除了海底地形之外,還有海浪與海浪互相干涉所形成的水面高低不均。已知即使地形平坦,也可能形成離岸流,這種情況會與地形性的離岸流加以區分。
研究尚未有結論的事 ― 「橫向游」真的是最佳選擇嗎
正文中寫的是「與岸邊平行游」。這長期以來被視為標準建議,但近十幾年來,專家之間仍持續有爭論。
- 多數離岸流並非「一路直衝外海就結束」。 2010年前後,研究者用裝有GPS的漂流浮標實際投入離岸流進行觀測,報告顯示許多浮標畫出一個環形軌跡後又回到碎波帶。基於這項觀測,有人提出「不游泳、浮著等待,水流有時會自己把人帶回來」的想法。
- 然而「浮著等待」也有風險。 確實存在會一路衝出外海、不再回頭的離岸流,這種情況下等待也回不來。要從水面上判斷是哪一種類型很困難。
- 目前的主流做法是「不提供單一正解」。 各國的救生機構,正逐漸轉向以①先別慌,浮著保留體力 ②呼救求援 ③如果要游,不要逆著水流,而是往橫向或水流較弱的方向這樣的組合方式來傳達。把「橫向游」當作唯一正解來教導的做法,比以往更加謹慎。
- 根本上,關於人實際行動的數據還不足。 浮標不是人。要實測恐慌狀態下的人會怎麼游、在哪裡耗盡力氣,在倫理上很難做到,建模工作仍在進行中。
能確定的只有一件事。「朝著岸邊直線全力游」,無論從哪個立場來看都是被否定的。本文的建議,也請當作是目前所知範圍內的內容來閱讀。
與教科書的關聯(依程度分類)
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應處 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・水壓/力的平衡/波的性質 | 水面高度差產生水流的說明,圖1 |
| 高中 | 物理基礎・速度合成/力的平衡 | 游泳速度與水流速度的相減 |
| 高中 | 物理基礎・波/地科基礎・海洋 | 碎波、沙洲的形成 |
| 高中+ | 物理・動量/流體(許多教科書列為發展內容) | 阻力與速度平方、消耗與速度三次方的關係 |
| 大學 | 海岸工程學・波動力學 | 輻射應力、波浪增水、循環胞 |
| 研究 | 離岸流的觀測與風險研究(未解決) | 是循環還是衝向外海、脫離策略的最優解、人類行為的建模 |
| ― | 防災・安全教育 | 辨識方法、「浮著等待」、118報案、不要下水救人 |
- 海上保安廳「海上的緊急事件請撥118」(海のもしもは118番)及各管區海上保安本部關於離岸流的注意提醒。
- 氣象廳・國土交通省及各地方自治體提供的海水浴場安全資訊,日本救生協會(日本ライフセービング協会)「浮著等待」(浮いて待て)的推廣活動。
- U.S. National Weather Service / NOAA, Rip Current Safety(離岸流的速度、辨識方法、「並非把人拖下水的水流」的說明)。
- United States Lifesaving Association, Rip Current Survival Guide。
- MacMahan, J. et al., Mean Lagrangian flow behavior on an open coast rip-channeled beach, Marine Geology 268, 2010 等,利用GPS漂流浮標觀測離岸流環流現象的研究。
- Longuet-Higgins, M. S. & Stewart, R. W., Radiation stresses in water waves, Deep-Sea Research 11, 529–562, 1964(波浪輻射應力的基礎理論)。
※本文為一般大眾取向的科學解說。實際的安全判斷,請遵循現場的警告標示,以及救生員、監視員、海上保安廳、地方自治體的指示。文中列出的數值,僅供理解原理之用。