全球海洋深层大循环 (The Global Ocean Co

作者: 来源:国防IT 时间:2020-06-18 16:02:42 浏览(137)


全球海洋深层大循环也称作温盐环流(thermohaline circulation、缩写THC),或称「输送洋流」 (Ocean Conveyor)、「深海环流」(deep ocean circulation)等,是一个依靠海水密度不同而驱动的全球洋流循环系统。海水的密度又决定于温度和含盐密度(越冷或盐分越高则海水密度越高),所以称为温盐环流。

全球海洋深层大循环 (The Global Ocean Co

图1:全球海洋深层大循环 (图片来源:《全球环境展望4 , p. 119)


风动(wind-driven)环流和温盐驱动(thermohaline-driven)环流

海水表面会受风力驱动是很容易观察到的现象。但是风力无法触及深海,所以早期的海洋学家认为深海应该静止不动。但是现代仪器侦测到深海的移动速度非常可观。到底深海运动的驱动力为何?这是19世纪激烈争辩的问题。1908年时瑞典海洋学家Johan Sandström进行一连串经典实验来解决这个谜题。Sandström在水箱里面一层层放入放入从峡湾取来密度不同的海水,然后在水表面吹送气体,也在不同位置加热或冷却海水。如此,Sandström分辨出风动(wind-driven)环流和温盐驱动(thermohaline-driven)环流的不同。但是这个区分是概念上的分析工具,大自然实际运作上是複杂多了,无法实际测量到截然分开的风动和温盐驱动的洋流,而是不同因素(还包括潮汐等)混合后的结果。目前海洋学家会建立理论模型,使用电脑模拟来分析複杂的海洋动态。

温盐驱动过程大致如下:表面的洋流带会因为密度的差异而与其他的水域划清界线。暖流会膨胀致使密度下降,高浓度的盐则会填补水分子间的空隙导緻密度上升,低密度的水会浮在高密度的上方。当高密度的水先形成,分层形态并不稳定的,为了均衡其密度分布,不同密度的水会相互产生对流,提供了深海洋流的动能。

水体(water mass)

因为密度(还有其他物理和化学性质)的差异,在一範围内特性相似的海水会形成水体(water mass),可与周围水体区别开来。世界海洋常见水团包括:南极底层水(Antarctic Bottom Water, AABW)、北大西洋深层水(North Atlantic Deep Water, NADW)、绕极深层水(Circumpolar Deep Water, CDW)、南极中层水(Antarctic Intermediate Water, AAIW)、亚南极模态水(Subantarctic Mode Water, SAMW)、北极中层水(Arctic Intermediate Water, AIW)、众多海洋盆地(oceanic basin)的中央水团,与及众多表层水团(surface water (ocean))

深层水(deep water mass)的形成

高密度的水几乎都集中在北大西洋及南冰洋下沈至海底深处的洋盆,在这些极地的洋域,表面洋带的水都会因为寒风吹袭而冷却,这些风不单带动表面洋带移动,所引起的乾湿温差还会构成大规模的海水蒸发,加速水温下降,这个现象被称为蒸发冷却(evaporative cooling),类似人体在湿热的环境下排汗降温的原理。由于被蒸发走的是纯水的分子,海水中的盐度会相对地上升。另海洋上冰的构成亦对海盐的浓度带来不可忽视的影响,由于纯水的凝固点是摄氏0度,比盐水的零下1.8度要高,因此纯水往往会比鹹水优先结冰,增加了的盐度减弱了海水凝固的速度,如此寒冷的浓盐水会被包含在海冰的蜂巢状之结构中,当中的浓盐水逐渐地反过来熔解覆盖着它的冰层,最后将一部分冰块从母冰块分裂出并下沈,这个过程叫做海水排斥。水温和盐度这两大因素加起来导致海水的密度增大。

全球海洋深层大循环 (The Global Ocean Co

图2:全球海洋深层大循环中深层水的形成。 (图片来源

温盐环流的运作和气候变迁

这个系统的运作现况是,以风力驱动的海面水流如墨西哥湾暖流(Gulf Stream)等将赤道的暖流带往北大西洋,暖流在高纬度处被冷却后下沈到海底,这些高密度的水形成北大西洋深层水(North Atlantic Deep Water)接着流入洋盆南下前往其他的暖洋位加热循环,一次温盐循环耗时大约1600年,在这个过程中洋流运输的不单是能量(温度 / 热能),当中还包括地球固态及气体资源等,不过温盐环流最受人类关注的是其全球恆温的功能。温盐环流推测主要是由于北大西洋及南冰洋之间的盐分及温差对流而触发的。

温盐环流对气候变迁有何影响?墨西哥湾暖流和北大西洋深层水的环流对欧洲的温和气候到底有何贡献?目前电脑模拟的结果显示,如果没有温盐环流的话,那幺北大西洋地区会温度下降很多,降温的程度从欧洲内陆的几度C到格陵兰的100C,北海甚至到200C。温盐环流也让北大西洋地区比相同纬度的太平洋地区温暖。如此看来,温盐环流对人类生存影响甚大,至于全球暖化将如何影响温盐环流,这是目前研究上有待突破的挑战。

参考资料:
1. United Nations Environment Programme 2007: Global Environment Outlook – environment for development (GEO-4). (中文版:联合国环境规划署2007:《全球环境展望4 ——旨在发展的环境》),第四章。(http://www.unep.org/geo/GEO4/report/GEO-4_Report_Full_CH.pdf)
2. 维基中文百科:温盐环流 (http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%BA%AB%E9%B9%BD%E7%92%B0%E6%B5%81)
3. 维基英文百科:Thermohaline circulation (http://en.wikipedia.org/wiki/Thermohaline_circulation#Effects_on_global_climate)
4. Rahmstorf, S., 2003, The concept of the thermohaline circulation. Nature, vol. 421, p.699. (http://www.pik-potsdam.de/~stefan/Publications/Nature/nature_concept_03.pdf)


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