一年多前，2月9日晚上，170英尺长的科研船“威科玛”号从俄勒冈海岸向西驶入漆黑的海面。几个小时内，船只试图驶入一场狂风，暴雨横扫甲板。到第二天，45节的风力将海浪推高到30英尺，这种条件很容易就能击沉较小的船只。
无情的撞击持续了数天。海洋学家埃德·贝克回忆起2月14日是所有日子中最糟糕的一晚。海浪拍击着甲板，咆哮着，天空和大海变得模糊。然后，风会毫无预兆地突然改变方向，从一个全新的角度将巨浪推向船只。“威科玛”号在不可预测的颠簸中剧烈地摇摆和跳动。“除非你亲自体验，否则你无法体会到那种甩动，”贝克说。
“如果你不抓住东西，你可能会被甩到甲板上。”尽管有暴风雨，西雅图太平洋海洋环境实验室的研究员贝克和他的同事们还是决定从剧烈摇晃的甲板上将一个半吨重的深海探测器投入太平洋。他们知道“威科玛”号下方一英里处有一座火山爆发，只有最猛烈的暴风雨才能阻止他们收集这种火山喷发新发现的副作用的证据：巨大的海底热水旋风，被称为巨型羽流，里面充满了矿物质和奇异的生命形式。随着甲板起重机在风中狂舞，研究人员小心翼翼地放下探测器——一个由钢丝绳系住的采样瓶组——到船舷外。一旦探测器入水，他们让钢丝绳展开40分钟，直到瓶子到达水下一英里处。他们一直担心船只螺旋桨般的运动会弄断钢丝。然后他们必须将负载拉回船上。“摇摆是很糟糕的事情，”贝克回忆起起重机的晃动时说。如果瓶子撞到船体，它们就会被毁坏。如果它们撞到科学家和甲板工人，就有人会丧命。
情况恶化，船长将科学家们赶到船舱内，他们在那里度过了数小时，试图喝经常从杯中飞出的咖啡，或者试图在摇晃的铺位上休息，这些铺位经常将他们甩到地上。贝克说，睡觉“总是一场冒险”。
飞机如何喷出水下飓风
十四日晚之所以令人难忘，不仅因为海况异常恶劣，还因为研究人员必须部署一个电话杆大小的声学信标。在甲板灯微弱的光芒下，船员们在“威科玛”号的船尾挣扎着。起重机的吊钩撞到了设备。虽然他们不知道信标是否受损，但他们还是布设了一串脆弱的玻璃球，这些玻璃球稍后会将设备带回水面。然后他们升起了30英尺长的铝杆。“它非常重，但也非常脆弱，”贝克说。当船只咆哮着冲上一个波峰，然后俯冲到另一边时，信标开始来回摆动。船员们与沉重的缆绳搏斗。一名甲板工人松手了，但在杆子撞到任何人之前又抓住了。最后，起重机将仪器放入水中。贝克回忆说：“它顺利完成了任务，但这可能是我此行最可怕的部分。”几天后，当信标开始广播数据时，所有人都松了一口气。前往火山并返回的航程花了十天，“可能是我在海上经历过的连续十天最糟糕的天气，”贝克说。但是当“威科玛”号停靠在俄勒冈州时，他是一个快乐的人，不仅仅因为他站在陆地上。他与同事们收集到的数据显示，海底的景象比科学家们在海面上风暴中经历的要剧烈得多。
那场看不见的奇观的最初轰鸣声在几周前的1月25日就开始了。北美太平洋的一个敏感水听器网络，由美国海军部署用于监听苏联潜艇，捕捉到了一群在名为阿克夏（Axial）的海底火山顶部发生的地震。这些地震比冷战时期安静的猎手要不那么微妙：它们听起来就像货运列车隆隆驶过。在一天之内，地震从火山向外传播了30英里，沿着海底地壳两块板块正在分离的裂痕移动。地震震松了堵塞火山管道的岩石。通过新清理的岩石管道，炽热的熔岩和沸腾的水，在数英里深地核的巨大压力和温度下，向上喷涌而出。
“如果你当时在下面，看到一个沸腾的水锅从海底冒出来，那场面一定相当壮观，”贝克说。陆地上的典型火山，如圣海伦斯山，喷发时会向天空喷出灰烬。但阿克夏火山喷发出的同样巨大的超热水柱。随后是熔岩流，有些深达六英尺，沿着火山两侧流下。在阿克夏火山的两侧，间歇泉突然刺穿海底，喷射出超热的水流，其中富含地壳中高浓度的矿物质。“我们粗略估计，火山火山口喷发出了十吉瓦的能量，”贝克说。“相比之下，哥伦比亚河上的博纳维尔大坝输出约一吉瓦，那可以为300万户家庭提供能源。”
“威科玛”号的此行旨在探究当所有这些能量释放时会发生什么。地球物理学家已经勾勒出了板块构造的广泛轮廓——地球熔融的熔岩地幔如何上升到地表并变成坚硬的地壳板块——但许多谜团仍未解开。答案来之不易，因为它们必须在像阿克夏这样的被深海遮蔽的地方才能找到。但近年来，研究人员已经学会了如何在像阿克夏这样的火山上或附近放置传感器。例如，贝克和他的海洋学家同事们投放的仪器测量了水温、水流以及火山喷发期间释放的化学物质。
贝克对巨型羽流特别感兴趣，这种现象此前只被观察到七次。像阿克夏火山侧翼上的热水间歇泉，只上升到海床上方几百英尺，然后像一团低垂的烟雾一样扩散。然而，巨型羽流可以从海底升起数千英尺以上，并像缓慢但巨大的龙卷风一样旋转。它们可以宽达12英里，并传播数百英里。“这就像一次炸弹事件，”贝克说，他是在1986年发现这种现象的海洋学家群体之一。此后不久，研究人员将这些水下气旋命名为巨型羽流。
这些羽流引起了人们的兴趣，原因有三。首先，它们是新鲜事物。“你很少有机会发现一种未知的事物，”贝克说。“而且这还不是一些微小的特征，像一块小石头。这是一个没有人知道的巨大过程。”
其次，巨型羽流搅动了大量的海洋，将矿物质、气体和热量几乎带到海面。海洋中的垂直混合不易发生。凉爽、密集的海水倾向于停留在底部，而温暖、浮力大的海水则停留在顶部。当它们从海洋深处升起时，巨型羽流可能会为浅水中的动物带来能量和食物。“它们可能正在对海洋的能量产生我们甚至不知道的影响，”海洋环境实验室的化学家大卫·巴特菲尔德说。
第三，巨型羽流在水平方向上也移动很远的距离。在它们的旅行中，它们可能帮助了一些世界上最奇特和最古老的生物定居地球。像阿克夏这样的热液地狱洞穴可能看起来不是一个理想的家园，但它却支持着充满活力的生物群落。细菌以甲烷和其他有毒化学物质为食，为三英尺长的空心管蠕虫和微小蛤蜊提供营养。这些生物只能生活在海底的热点地区，但它们却在世界各地被发现。它们如何跨越广阔的贫营养海域找到新的栖息地？巨型羽流，可以保持完整，旋转和漂流数月，并移动数百英里，可能就是移动的生态系统。“也许它们就像特快巴士，”贝克说。
如果真是这样，那巴士总站就是胡安·德·富卡海岭这样的洋中脊，它就在阿克夏火山的正下方。海岭炽热的物质从地球深处升起，在顶部冷却，然后向两侧滑动，形成更多的行星地壳。在各个热点，海岭穿过从地幔上升的垂直通道。熔岩上升到距海底表面一英里以内，形成岩浆房。它就在那里，缓慢地冒着气泡。
在岩浆房上方，是过去岩浆侵入海底表面的遗迹。正上方是一层硬化的垂直熔岩管道——想象一捆紧握的铅笔——被称为岩墙。在岩墙之上是冷却、破裂的熔岩，称为枕状玄武岩，裂缝和空隙遍布，海水通过其循环。这种松散的岩石和水的集合就是我们通常认为的坚实海底。
这绝不是一个稳定的局面。行星内部的一个小小的震动就能将更多的岩浆推入岩浆房，使其膨胀并向其上方的岩石发送震动。管状的岩墙可能会移动，突然为新的岩浆柱腾出空间，使其穿过铅笔群向上涌出。新的熔岩柱很热——大约2200度。热量使水膨胀，使其渗透通过上方的松散层，并穿过充满硫、甲烷、铁和其他化学物质的海底喷射而出。这些水涌出的间歇泉被称为热液喷口。
在特定的热点区域，岩浆反复突破地表，形成一个锥体。就像在陆地上一样，锥体冷却并凝固，然后新的熔岩流从中爆发，沿着侧翼流下，开始形成海底山脉。这个过程重复了数千年，形成了像5000英尺高的阿克夏火山这样的火山。
胡安·德·富卡海岭引起了大量科学兴趣，因为它大致平行于美国西北海岸，距离海岸仅300英里，相对容易到达。阿克夏火山位于海岭中段的一个部分上方。1986年，一艘载着埃德·贝克和他的同事们的科考船停泊在一个名为Cleft的南部部分上方。
“我们想绘制海脊图，看看哪里可能存在热液喷口，”贝克说，他翻阅着堆满西雅图办公室桌子的五颜六色的海底地图。贝克是一位中等身材的黑发男子，他说话审慎，但当他试图阐明观点时，语速会加快。“我们正在进行一种叫做‘拖曳-上下’的作业，就是将仪器拖在船后，同时上下移动，呈锯齿状。这可以让你在不同深度采样水体。突然间，我们开始在这里——海洋学家举起双手，指着海底上方的高处——看到一堆羽状信号，而这个区域本不应该有任何羽状物。
“我们当时用的是测量水体光学透明度的仪器。这很简单，真的。它从A点发出光线到B点。如果终点处的光线较少，那是因为水中有颗粒。它突然开始不断上升，不断上升，不断上升，而它本该是零、零、零！”
“起初我们想，‘仪器出什么问题了？’我们花了一段时间才意识到并没有问题。只是在不应该有羽流的地方出现了羽流。我们发现的羽流不是离海底200米高，而是离海底1000米高。”
“我们花了大约四天时间在这一区域进行拖曳，然后我们开始描绘出一个巨大的圆形图像，”贝克继续说道。“我们会穿过这个圆形，读数会越来越高，然后我们到达中间，再从另一边出去，读数又会下降。它在这个海脊上的一个点周围形成了一个完全对称的圆形。”
于是，贝克开始考察胡安·德·富卡海脊不同段的其他喷发地点，并在所有这些地方都看到了巨型羽流。“这些羽流非常独特，”他说。“它们有明确的顶部和底部。它们的温度和盐含量与周围水体不同。它们更温暖，也更淡。部分原因解释了它们为什么能升得那么高：热流体比冷流体浮力更大。”
最终，巨型羽流冷却到足以停止上升。此时，它比海底的水暖约2度，比羽流周围的水暖0.3度。这个差异可能看起来不大，但水具有巨大的热容量。将水温升高1度所需的能量，是使等体积空气温度升高1度的4000倍。
热量是巨型羽流保持形状的原因。热量导致水分子散开，使其密度远小于周围的水。由于密度不同的流体不易混合，巨型羽流得以保持完整。巨型羽流寿命如此之长的另一个原因是它们会旋转。1996年，在戈尔达海岭（Gorda Ridge）的一段，贝克的团队发现了两个巨型羽流，并将一个传感器放入其中一个。三个月后，传感器浮回水面，并将它的旅程描述发送给了卫星。它在羽流边缘顺时针旋转，然后逐渐向中间移动，仿佛被一个巨大的涡流捕获。贝克将这些羽流描述为类似于水下飓风。
海底更像海绵还是热板？
巨型羽流是如何形成的？是什么促使如此大规模的热水在如此短的时间内爆炸式喷发？没有人确切知道，但两种相互竞争的观点已逐渐站稳脚跟。一种认为海底就像一块突然被挤压的海绵；另一种则认为海底是一块巨大的热板，加热着上方的海水。
埃德·贝克相信海绵理论。巨型羽流是由深层地壳挤压出来的，因为羽流水中含有氦3，这是一种在地表稀有但在深层地核更常见的同位素。因此，他和其他人设想岩浆岩墙从下方射出，将大量的流体挤压出松散的海底顶部。“水会从四面八方喷涌而出，”他说。
然而，贝克也意识到这个理论存在一个问题：自然界厌恶真空。“每有一加仑水离开地壳，就必须有一加仑水进入地壳。除非有东西进来填补真空，否则水不会出来。这怎么可能发生呢？”
破解封印
华盛顿大学的研究员威廉·威尔科克斯有一个答案：忘记真空。威尔科克斯指出，渗透海底的流体和气体，如氦和甲烷，本身就处于巨大的压力之下。侵入的岩浆岩墙可能会破裂顶部的封印，就像松开高压锅的阀门一样。降低压力，水-气混合物就会膨胀，大大增加其体积。这将足以填补海底所有的空隙和裂缝，消除任何真空问题，而多余的部分则会沸腾而出，形成巨型羽流。
但当化学家戴夫·巴特菲尔德观察巨型羽流内部的流体时，他看到了与“大海绵”理论不符的东西。“巨型羽流和普通羽流的化学成分确实不同，”巴特菲尔德说。“所以它们看起来并非来自完全相同的地方。”
让巴特菲尔德困惑的是巨型羽流中锰铁比。锰从海底岩石中浸出比铁慢得多。由于普通羽流水在松散的海底循环时间很长，它有时间吸收额外的锰，而铁有时间沉淀下来。通常，这会产生铁锰比为4:1的水。但在巨型羽流中，这个比例接近10:1。这种差异让巴特菲尔德怀疑巨型羽流水在海底停留的时间不足，而是流速过快，无法吸收足够的锰。
他开始设想由地质热板理论形成的巨型羽流。“现在，我是一个化学家，不是一个建模师，”他提醒道，但想象一个岩浆岩墙突破海底，并在半平方英里的区域铺设1200度的熔岩并不难。这将使大量的海水暴露在热量下，但只有一次。水在经过熔岩时会被加热，就像热板上的水壶一样，并在有足够时间吸收锰之前就开始上升。
贝克不相信。“我不相信你能那么快地排出热量，”他说。“这些人设想巨型羽流在一周左右形成。我认为它们在更短的时间内，几天或几小时内就会发生。”而且热板没有足够的热量来做到这一点。
去年二月前往阿克夏的航程旨在验证这两种理论。如果研究人员发现巨型羽流但没有可检测到的大规模熔岩流，贝克就可以彻底抛弃热板理论。因此，他设置了旨在跟踪海底水流、温度变化和地壳运动的传感器。这些传感器应该记录数据，然后浮到水面收集。
重返阿克夏
然而，在八月一个平静的日子，再次访问阿克夏以检索数据时，线索寥寥，争论仍在激烈进行。如果阿克夏两侧测量水流的仪器测到了强大的水流流回火山以取代排出的流体，那么它们本可以支持挤压海绵模型。但一台仪器完全找不到，另一台则被新熔岩掩埋了。
这些挫折在水下研究中很常见。“你知道，这不像在实验室里当化学家，你可以说，‘好吧，我想做这种实验来证明我的理论。’我们在这里有点受制于大自然，”贝克说。“而且这不像在陆地上当地质学家。我们不一定能在想去的时候去到想去的地方。所以弄清楚这些事情比你想象的要花更长的时间。”——J. F.
它们的形状和运动是上升的羽流与行星的侧向旋转之间复杂交互作用的结果。在侧向移动的同时上下移动会产生一种称为科里奥利效应的扭曲。这就是浴缸水呈螺旋状排出、飓风呈螺旋状旋转以及巨型羽流不断旋转的原因。贝克追踪到的巨型羽流以每分钟约6.5英尺的速度旋转，完成一次完整旋转需要八天。（有些巨型羽流的旋转速度可以快三倍。）他说，从侧面看，巨型羽流最初可能看起来像一个巨大的旋转蘑菇，顶部呈盘状，向下逐渐变细，形成一条长长的尾巴。最终，尾巴消失，巨型羽流呈现出巨型飞盘的形状。
在他最近的航行中，贝克一直在试图弄清楚巨型羽流是如何形成的（参见第115页）以及它们会去哪里。他想知道巨型羽流是否将火山喷发的气体，如二氧化碳、甲烷和氦3，以及硫和铁等矿物质，带到海洋上层，那里是大多数动植物的栖息地。例如，浮游生物以铁为生。铁的注入会使浮游生物大量繁殖，在海面上引发巨大的多米诺骨牌效应，改变食物链，并可能改变大气，因为二氧化碳等温室气体被吸收。
为了找到这些问题的答案，贝克的同事鲍勃·恩布利正在为在阿克夏建立一个长期观测站打基础，该观测站将于下世纪初投入使用。他设想在海底建立一个传感器和摄像头网络，将数据传输到靠近水面的浮标，浮标再将信号通过卫星转发到贝克在西雅图的办公室。这个新千年观测站（简称NeMO）还将使用一个自主潜水器永久停泊在现场，这样科学家在听到即将喷发的隆隆声后，就可以指示它“请进行第5次勘测”。
然后，贝克说，那十天海上可怕的经历仍然历历在目，“我就可以舒舒服服地在家中通过网络查看结果了。”
