地球/5d. 海洋环流（表层和深层）。
被困在冰中，美国船只珍妮特正在被挤压，它的木制船体在刺骨的寒冷中开裂断裂。过去一个月，这艘船一直被困在北极冰中。船员们在混乱中将船只从平坦的白色荒凉景观上卸下。他们拖着船只，惊恐地看着船只的残骸沉入冰冷的北冰洋的冰洞中。这次探险由他们的船长乔治·W·德朗率领，他是一名美国海军军官，正在寻找通往开放的北极海的通道。他的船沉入冰层，使他的船员在冰冻的海洋上孤立无援。德朗打开了他的船长日志，记录了沉船的位置，北纬 77°15′ 东经 155°0′，然后命令船员们拖着船只和他们剩下的任何补给穿越广阔的冰层。
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到达开阔水域后，他们将船只驶入未结冰的水域，向南划桨。首席工程师乔治·梅尔维尔，一个沉默寡言的人物，留着长长的预言般的胡须，带领着一组幸存者。梅尔维尔在海军中不断提升，帮助建立了美国海军学院，是一位参加过此类危险北极探险的资深人士。1873 年，他自愿帮助营救不幸的北极星探险队的幸存者，这是一次试图到达北极的探险。现在，再次陷入类似的困境，乔治·梅尔维尔看着各种船只在开阔的水域上颠簸，很快就在夜间分散开来。这是他最后一次看到德朗船长活着。他的小船上的船员在登陆西伯利亚北部海岸的勒拿三角洲后幸存下来。在接下来的一年中，梅尔维尔一直在寻找德朗，最后发现了他的尸体以及 11 名船员的尸体。他还发现了船长的日志，记录了他们到达北极的最远距离。梅尔维尔在 1884 年出版的一本书中写下了这次不幸的探险经历以及寻找船长的过程。
同年，1884 年，他们的船只残骸在格陵兰海岸被发现。尽管这艘船在西伯利亚北部沉入冰层，但它却不知何故被极地洋流带到了数千英里外的南格陵兰。这艘船残骸的长途航行，引发了挪威探险家弗里蒂奥夫·南森另一个试图到达北极的想法，他故意驾驶一艘汽船驶入冰层，让冰层将这艘船尽可能地带到北极。一旦被困的船只在冰层中到达最北端，一支狗拉雪橇队就可以从冰层中被困的船只上 disembark，并在冰冻的海冰上走完剩下的几英里，到达地球最北端。这是一个大胆的计划，需要了解高北极地区的洋流和海冰运动。
汽船“弗拉姆”号从挪威出发，沿着西伯利亚北部海岸航行，然后转向北方，直到遇到冰层。这艘船被困在冰层中，在北方和西方航行了三年，于 1895 年 3 月 14 日到达最北端，弗里蒂奥夫·南森和希亚尔玛·约翰森从冰层中被困的船只上 disembark，乘坐狗拉雪橇向更北的地方进发。南森在他的 sextant 上记录了北纬 86°13.6′，然后折返，无法到达北纬 90° 的北极。在接下来的一年中，这两名男子沿着海冰向南旅行，奇迹般地都幸存了下来。被困在冰层中的汽船及其船员从冰层中脱困，成功地航行回挪威。这次尝试中没有船员死亡，尽管没有到达北极，但这次探险被认为是一次巨大的成功。南森是一名受过海洋动物学训练的海洋学家，他回到家后致力于研究海洋。
弗里蒂奥夫·南森仍然对海洋洋流如何在地球上移动感到困惑。他对冰山和搁浅的船只如何被海洋带走特别感兴趣。在这次探险中，南森利用了跨极漂流，这是一种从西伯利亚海岸向西流向格陵兰的洋流，它是由一个叫做博福特环流的大型圆形洋流驱动的，这个洋流环绕着北极。在海洋学中，环流是一个大型的环绕海洋表面的洋流。博福特环流围绕着北极顺时针旋转，而地球则围绕着极轴逆时针旋转。南森推断，海洋表面与地球旋转方向相反的原因是，与固态地球不同，液态海洋（以及上方的气态大气）只是松散地附着在地球表面，地球旋转的惯性和阻力导致液体落后于固态地球的运动。当南森的船被困在海冰中时，地球在其下方旋转，而携带冰冻海冰和被困船只的液态海洋似乎抵抗了这种运动，因此格陵兰海岸被带向船只，因为固态地球在其下方旋转。然而，南森意识到这不是真的，因为海洋和固态地球几乎以相同的恒定速度和相同的惯性围绕着轴线旋转。冰和洋流应该与旋转的地球同步旋转。在这次探险中，南森注意到冰漂移的角度在盛行风向的右侧 20° 到 40° 之间，他怀疑洋流受到盛行风向的影响。
南森联系了维尔赫姆·比约克内斯教授，他在乌普萨拉大学研究流体动力学。比约克内斯认为，洋流主要受地球运动产生的科里奥利力控制，但他建议他最优秀的学生，瓦格恩·瓦尔弗里德·埃克曼进行博士研究。埃克曼与强壮的北极探险家南森截然相反。埃克曼是一位勤奋的学生，戴着厚厚的眼睛，身材矮小，性格温和。他更喜欢数学方程式，并在当地合唱团演奏钢琴和唱歌。
在以恒定速度旋转的水碗中进行的流体动力学实验表明，当从上方将彩色染料滴入水中时，旋转碗（无加速度）会产生稳定效果。这是因为染料滴入旋转水碗的点或位置与下方旋转的碗具有相同的速度和惯性。事实上，观察到染料的颜色形成了一个狭窄的柱状，而不是相对于下方旋转的碗旋转。这似乎表明南森的北极探险壮举是不可能的。然而，如果从侧面将染料添加到旋转的水碗中，由于科里奥利效应，染料会迅速螺旋形，因为染料在不同的半径上移动，因此其速度由于这种水平运动而发生变化。
埃克曼怀疑在开阔的海洋中，各种力量正在作用于改变海水速度，这会使海水不稳定并导致其运动。埃克曼定义了两个边界，被称为埃克曼层，第一个是海底。海底并不平坦，而是具有复杂的起伏地形，这个边界是最坚固的，因为它承受着上方水的最大压力。第二个埃克曼层是海面。这里，海洋受到吹拂的风的影响，并且承受着最小的压力。盛行风将受地转流控制，地转流受大气压梯度和科里奥利力的平衡影响；这些地转风倾向于平行于气压梯度流动。风只会影响海洋最上层，也许只有10米深。这两个埃克曼层之间的压力梯度导致各层之间的速度变化，导致液体海洋的剪切，因为上层受风向影响，下层受旋转地球影响。使用数学公式，埃克曼证明这种运动将导致海洋内部的旋转或螺旋运动，被称为埃克曼螺旋。
在海面，由于地转风对海面的影响，水平运动的方向将最大。地转风将驱动它们下面的海水垂直于科里奥利力的方向流动，然而，由于海水不受气压梯度的影响，它们将受到科里奥利力的更大影响，从而导致水流与盛行风向之间的角度在20°到40°之间（在北半球）。埃克曼螺旋和埃克曼开发的数学模型使我们能够深刻地理解洋流的运动。
埃克曼螺旋有几个重要的意义。首先，海面或近海面的海水流动最快，而深海海水流动性要小得多，并且更持久地固定在海底。海洋学家将海水循环在地球上的运动描述为两种截然不同的模式。表层洋流的流动性要大得多，表层海水在地球上快速循环（几个月到几年），而深层洋流则要慢得多，深层水循环的长期模式持续数百年或数千年。埃克曼螺旋还证明了南森的大胆探险为何能够成功，因为这艘船被困在海面的海冰中，它受到穿越跨极漂流的盛行地转东风的影响，再加上科里奥利效应使博福特环流顺时针旋转。这导致表层海水和海冰以20°到40°的角度相对于盛行风向流动，导致南森几乎成功地到达北极。
上升流和下降流
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埃克曼螺旋有助于理解海水如何垂直穿过水柱运动，尤其是在沿大陆边缘的海岸线附近的海水中。当风向驱动洋流朝向或远离海岸线时，就会发生这种上升流和下降流。如果盛行风吹拂并导致表层洋流从海洋朝陆地运动，并且这些表层洋流垂直于海岸线，那么表层海水将导致海水下降，因为海水在到达海岸时被推向更深处。然而，当盛行风从陆地吹向海洋，表层洋流垂直于海岸线朝相反方向运动时，就会发生上升流，因为表层海水将被推离海岸线，将更深处的海水带到海面。然而，通常情况下，盛行表层洋流并不仅仅垂直于海岸线，导致水流称为沿岸流。沿岸流取决于盛行的倾斜风向，该风向输送水和沉积物，例如沿着海岸平行于海岸线的沙滩沙。当沿岸流在相反的方向汇聚，或者海浪出现断裂时，就会形成离岸流，将表层海水从岸边带走并流向海洋。离岸流对游泳者来说非常危险，因为强大的水流会将毫无戒心的游泳者带离岸边。重要的是要注意，由埃克曼研究导致的海水上升流和下降流在整个海洋中都相对较浅，主要发生在岛屿和大陆的浅水海岸线附近。深渊带最深的海水需要一种不同的机制来将这些深海海水升到海面或降到海面，这将在后面讨论。然而，埃克曼的发现和数学模型对于理解全球表层洋流非常重要。
表层洋流
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北半球的表层洋流将顺时针方向向右旋转，而南半球的表层洋流将逆时针方向向左旋转。最著名的表层洋流之一是墨西哥湾流，它从西印度群岛延伸到加勒比海，沿着美国和加拿大东海岸向北，并将温暖的赤道海水带到不列颠群岛和欧洲。墨西哥湾流是更大的北大西洋环流的一部分，该环流在北大西洋以顺时针方向旋转。墨西哥湾流将温暖的海水带到西欧的海岸，导致这些地区的气候变得温暖。加那利寒流从西班牙沿着非洲海岸向南流动，导致较冷的表层海水流向赤道，在那里，洋流与北赤道洋流相遇，完成了北大西洋环流的完整回路。在南大西洋，表层洋流以逆时针方向旋转。沿着南赤道洋流向西流动，然后沿着巴西海岸向南流动，穿过南大西洋向东流动，然后沿着纳米比亚海岸向北流动，以逆时针回路，作为南大西洋环流。在北大西洋环流和南大西洋环流的中心，表层洋流保持相当停滞。早期的水手将北大西洋环流的中心称为马尾藻海，之所以得名是因为大量生长在相对停滞的海水中、属于马尾藻属的棕色海藻。如今，这些北大西洋和南大西洋海域被一个更加不祥的名字所知，即垃圾带。倾倒在海洋中的塑料和其他垃圾在这些海域中积累，在那里它们形成了由微塑料聚乙烯和聚丙烯组成的巨大漂浮物，这些塑料和聚丙烯构成通常被倾倒并被带入海洋的家用物品。
在北大西洋环流和南大西洋环流之间有一个区域，水手们在历史上将其称为赤道无风带，它位于大西洋的赤道纬度。这里，表层海水受到科里奥利力的影响并不大，因为海水与地球自转方向相同。这导致了被称为赤道逆流的现象。赤道逆流将表层海水从西向东输送，与将水手从东向西带到赤道附近的东信风方向相反。赤道逆流是热带辐合带（ITCZ）风的结果，这些风形成一个低压汇聚带，因为大气中的空气由于这些温暖水域中太阳热量的增加而上升。
帆船会避开这些区域，因为这些区域会显著减缓依赖洋面洋流和盛行风的帆船航行速度。从欧洲前往北美的水手会沿着该区域北部的东风带航行，而返回欧洲的水手则会沿着湾流的西风带航行，在返回欧洲的航程中，他们会比前往北美的航程更北地穿越北大西洋。这导致了早期跨大西洋贸易路线沿着从西印度群岛向北至纽约的海岸线航行，从而导致货物从南部沿着北美东部港口运往北部。虽然加勒比海岛屿是欧洲和非洲商人穿越大西洋后在北半球到达的第一批地方。如今的船只受洋面洋流和盛行风的影响较小，因为它们拥有驱动船体下方螺旋桨的发动机。然而，洋面洋流确实决定了船舶货物丢失的流向，并且对拯救处于海洋和洋流摆布的遇难水手很有帮助。
太平洋的洋面洋流与大西洋类似，但规模更大。同样，也有两个大型环流。在北太平洋，**北太平洋环流**是一个顺时针方向的洋面洋流。暖赤道水沿着亚洲海岸向北移动，进入朝鲜和日本，形成**日本暖流**。该洋流与湾流一样，是一股向北移动的暖流，它穿过北太平洋，然后沿着北美西太平洋海岸向南流动，被称为**加利福尼亚洋流**。暖赤道水流经北太平洋的运动导致北美北部海岸线也出现类似的升温。它还会将漂浮的垃圾从日本海岸带到加拿大和美国太平洋西北部的海岸。尽管太平洋比大西洋更大，但海水温度略有下降。然而，太平洋西北部的洋面海水比在如此高纬度地区通常预期的温度要高。例如，加拿大温哥华（北纬 49.30°）的年平均气温为 11.0 °C，而加拿大哈利法克斯（沿北大西洋海岸）（北纬 44.65°）仅为 6.5 °C，尽管其纬度更南。这些温暖的洋面洋流可能在过去的冰河时期使北美太平洋海岸的大部分地区免受冰雪覆盖，当时大型冰盖覆盖了加拿大内陆。现在正在冷却的海水沿着美国太平洋海岸向南流动，导致南加州的气候变得更凉爽，更温带，这比洛杉矶等城市更南的纬度所预期的气候要凉爽。
**南太平洋环流**的旋转方向与北方相反，为逆时针方向。这导致暖赤道海水流入南澳大利亚和新西兰海岸，为这些地区带来暖水。**东澳大利亚洋流**与日本暖流和湾流一样，为这些地区（包括大堡礁）一直到悉尼港的南部带来暖水。然后，洋面环流横跨南太平洋，但在被推向南极绕极流的过程中，水温会下降，秘鲁洋流沿着南美洲西海岸带来冷水，一直延伸到加拉帕戈斯群岛。尽管纬度位于赤道，但由于秘鲁洋流较冷，加拉帕戈斯群岛附近的海水与其他赤道海水相比，相对较冷。企鹅在岛屿的岩石海岸线上繁衍生息，这是它们最北的范围。与大西洋一样，**赤道逆流**在 ITCZ 地带向东流动，也导致太平洋出现无风带。
印度洋与大西洋和太平洋不同，大部分位于赤道以南，因此只有一个大的洋面环流，它以逆时针方向旋转。由于 ITCZ 地带的存在，印度南部海岸附近有一条赤道逆流向东流动。该区域每年都会向印度次大陆北部移动，导致每年出现印度季风雨。东非和马达加斯加享受着类似于湾流、日本暖流和东澳大利亚洋流的温暖热带洋流，使这些地区也容易受到台风和飓风的袭击。
最后一个洋面洋流是迄今为止最重要的一个：**南极绕极流**，也称为**西风漂流**，环绕着南极洲海岸。我们讨论的大多数洋流都是地球自转以及大陆排列的结果，大陆阻挡了海水向东流动，导致了上述许多环流。南极绕极流向东流动，由于其路径上没有主要的陆地，因此这种流动会永久持续下去，永远环绕着南极洲海岸。这些海水保持寒冷，与其他洋流相比，温度非常低，因为洋面洋流不会循环到地球较温暖的赤道地区。
南极绕极流的出现发生在渐新世时期开始时，即 3390 万年前，当时将南美洲和南极洲隔开的德雷克海峡开放，使洋流能够在两大陆之间流动，并阻止了寒冷的南极海水向北流动。相反，从那时起，南极绕极流显著冷却了南极洲，导致大陆上形成了巨大的冰盖，并使其成为今天不适宜居住的寒冷之地。南极绕极流对地球产生了全球性的影响，导致全球气温下降，最终导致了大冰河时代的开始。在此事件发生前的数百万年，曾经存在一个不再存在的**全球赤道流**，它穿过北美和南美，并延伸到古代海路（被称为特提斯海），该海路将非洲和欧洲分开，并覆盖了中东。这种赤道洋流导致地球在始新世时期（大约 5000 万年前）出现了一些最温暖的全球气候。洋面洋流对区域和全球气候有重大影响，因为它们通过对流，将温暖和寒冷的海水带到地球表面的不同地方。
海洋的密度、盐度和温度
[edit | edit source]密度是指物质单位体积的质量，或者是指物质的紧密度。比重是指物质相对于纯水的浮沉程度，纯水的比重为 1。比重小于 1 的液体会在纯水杯中漂浮，而比重大于 1 的液体则会沉入纯水杯中。海水由于含有盐和溶解颗粒的混合物，平均比重在 1.020 到 1.029 之间。海水的密度使用比重计测量，比重计是一个玻璃管，在管子上连接着一个标准重量，并连接一个刻度，用来指示重量在液体中下沉的深度。如果你将海水和淡水混合，两者很可能会混合在一起，因此很难判断哪种液体漂浮在另一种液体之上。液体之间密度差越大，越有可能将它们叠加在一起，方法是将密度较小的液体漂浮在密度较大的液体之上。但是，如果你尝试将密度较大的液体叠加在密度较小的液体之上，这两种液体只会混合在一起。不同密度液体的柱状体被称为分层，地层表示层，因此分层海洋是指根据密度差异划分为独特层级的海洋。
水的密度不仅与水中溶解的盐量有关，还与水的温度有关。水越冷，密度就越大，虽然在 4°C 到 0°C 之间（接近冰点），水在结冰时密度会变小。
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海水密度和盐度之间的梯度称为**盐跃层**。在海洋的垂直剖面图中，盐度随着深度增加而增加，因为咸水密度更大，会下沉。海水密度和温度之间的梯度称为**温跃层**。在海洋的垂直剖面图中，温度随着深度增加而降低，因为较冷的水（高于 4°C）密度更大，会下沉。最密集的海水既冷又咸，而密度最小的海水既热又淡。密度随深度的梯度被称为**密跃层**。pycnos 在古希腊语中表示稠密。密跃层是显示海水密度随深度变化的图表。如果海洋分层成不同密度的层级，则图表将显示斜率，并且在每个密度增加的层级处都有台阶。但是，如果海洋混合均匀，密跃层将是一条垂直的直线，表示密度随深度均匀。在前面的章节中，洋面洋流以及上升流和下降流受地转风的影响，以及导致海水浅层运动的表面过程。但是，埃克曼的研究还表明，深度大于 100 米的深层海水流动性会降低，并且不会受到仅作用于海洋表面的这些力量的影响。深层海水移动非常缓慢，以至于海洋学家正在争论这种深层海水的实际流动速度，因为它在绕地球运动。
地球深层海水的循环是一个缓慢而温和的过程，它涉及大部分海洋的总量，并且是海水密度随深度变化的动态变化的结果。这种密度变化导致了洋面和深层海水的混合。
海洋，或者说地球上任何大型水体，是如何分层成不同密度的？想象一个大型湖泊，它充当一个水库，周围有注入新鲜无盐水的河流。在夏季末，注入湖泊的淡水流量会减少，但在冬季末和春季初，由于径流或雨季，流量会增加。在夏季，炎热的太阳会加热湖泊表层，导致蒸发，而下层水变得更咸，但仍然保持温暖。随着时间的推移，这样的湖泊会分层成不同密度的层。在夏季，表层水会变得更咸，但更温暖，使其漂浮在下面密度更大的水之上。然而，随着秋季气温下降，咸水密度会增加。在春季，河流中注入的密度较低的淡水会漂浮在这已经在湖中的咸冷水上。这增加了一层新的密度较低的淡水，并将水堆叠在上面。随着时间的推移，湖泊会严重分层，冷/咸的密实层会保持在湖泊深处，而暖/淡的密度较低的水会保持在顶部，每次注入淡水都会增加一层。
什么过程会导致这两层混合？如果在冬季，湖泊被冰覆盖，表层水会变得又冷又咸。盐来自冰在湖泊顶部形成时，冰中不含盐，使冰层下方的层略微更咸，而且非常冷。湖泊上的冰层会导致这种咸/冷的密实水叠加在暖/淡的密度较低的水之上，最终导致表层水下沉，深层水上涌。与无冰水体相比，冰覆盖的水体包含更好的水体混合物。因此，地球寒冷地区的水体比温暖的热带地区的水体分层程度更低。湖泊中可能发生的另一件事是深层水以某种方式被加热。这可能发生在火山或岩浆加热底部水时。当这些密实的深层水被加热时，它们密度会降低并上升。这很可能是喀麦隆非洲尼奥斯湖灾难发生的原因，当时深层水冒泡，释放出大量的二氧化碳气体，导致许多人丧生。
对世界各地不同湖泊中的跃层进行的测量表明，冬季被冰覆盖的较冷湖泊比保持无冰的较温暖湖泊混合得更好。相同的深层水与表层水混合过程可以应用于整个海洋，这更复杂，因为世界海洋更相互连接，并跨越整个地球表面。海洋学家已经绘制了年度温度和盐度的差异，以帮助理解这一复杂过程。
对整个海洋测量的年度表层温度表明，最温暖的水域位于赤道附近，最冷的水域位于两极附近。然而，对整个海洋测量的表层盐度表明，最咸的表层水域位于大型海洋环流中，例如北大西洋和南大西洋环流，这些是开放海洋中最咸的区域。这是因为这些海域更静止，并且位于降雨较少的干旱地区。赤道附近的 ITCZ 区域贡献了大量的淡水雨水，并限制了赤道附近的蒸发。被陆地包围的大型封闭海洋水体，如地中海和红海，是海洋中盐度最高的区域。海洋中一些盐度最低的区域位于河流向海洋大量注入淡水的地区附近，特别是在东南亚。两极附近的区域也从融水注入淡水。在冬季，北极和南极海洋极地地区扩展的海洋冰对于表层水和深层水混合非常重要。如果这些水域已经因蒸发而变得咸，混合可以增强。在北大西洋，被困在北大西洋环流中的咸表层海水随着墨西哥湾流被推向格陵兰岛北部。如果这些咸的暖水随后被冷却并覆盖上海冰，这些水就会下沉，导致北大西洋的表层水和深层水混合。这推动了所谓的深层海水热盐环流。热盐环流是全球海洋的广泛深层水循环，尽管这一运动的具体过程在海洋学家之间存在争议。北大西洋是冷咸水下沉的区域，这是由于大西洋中的咸水被推向北部，并受到海冰覆盖的影响，尤其是在北半球的冬季。这种下沉的冷咸海水搅动了北大西洋，并有助于驱动墨西哥湾流，将更多温暖的咸水向北拉，以冷却并随后下沉。北大西洋是世界上海洋分层程度最低的区域，导致水体混合良好，富含氧气。
来自格陵兰岛的冰芯记录了一个时期，即 12,000 年前，热盐环流可能发生了戏剧性的变化。这段时期被称为新仙女木事件，因为湖泊中的沉积物记录了适应寒冷的仙女木北极花的孢粉回归，这种花更喜欢较冷的气候。在最后一个冰河时代，这种花生长在整个北欧和格陵兰岛，直到大约 14,000 年前，随着气候变暖，这种花从这些地区消失。然而，这种花的孢粉在大约 12,000 年前的湖泊沉积物中再次出现，表明在再次从这些地区消失之前，寒冷气候持续了几百年。据推测，北大西洋的这段寒冷气候时期是由来自陆地的淡水大量涌入导致热盐环流发生改变所致。这一理论认为，大量的淡水涌入了北大西洋，特别是来自拉布拉多海和圣劳伦斯海峡，这些水域排干了覆盖五大湖和加拿大大部分地区的巨大冰盖。这种淡水的涌入导致北大西洋变得更加分层，并导致墨西哥湾流减弱，到达北欧的暖海水减少。这导致较冷的气候持续，直到巨大冰盖的融化结束，这时热盐环流恢复，导致北欧再次出现较温暖的气候。热盐环流通常被描绘成一条涉及整个世界海洋的流动带，但海洋学家们对这种环流模式在全球范围内的实际运作方式存在争议。最近的研究表明，环绕南极洲的深层海水是由于北大西洋的搅动而被向上拉起的。这些南大洋的水在 12 月/1 月最温暖，随着气温升高而上升，被北大西洋拉起，而北大西洋在这几个月是最冷和最咸的。在 7 月/8 月，北大西洋恢复到最温暖的水平，而南极洲周围的海水处于最冷的水平，并被海冰覆盖。南极洲周围的海冰中形成了冰间湖，这些区域是薄冰与开阔水域混合在一起的区域，比给定温度下的预期更薄，因为这些区域经常包含更咸的水。这导致冷/咸的水在 7 月/8 月沿着南极洲海岸下沉。就像跷跷板一样，环绕南极洲的深层海水每年随着季节而上下波动。这些南极底层水混合良好，富含氧气和氮气。海冰对于世界海洋的混合至关重要，生命已经适应了这些极地地区深层海水的年度上升和下降。当更深的海洋水在这些极地地区上升时，它们会带上氮气，这有利于在表层透光层生长的浮游植物。在夏季，浮游植物大量繁殖，吸引了以浮游植物为食的磷虾和鱼类。这些鱼群和磷虾在富氧的冷水中繁盛，并为迁徙的须鲸提供食物，须鲸使用须鲸过滤掉水中的磷虾。地球上最大的动物蓝鲸 (Balaenoptera musculus) 进化出来，利用了由海洋大部分区域被海冰覆盖而产生的深层海洋环流模式。
地球海洋曾经存在过一段时间，没有被冰覆盖，特别是在大气中二氧化碳含量丰富的时期。没有海冰形成的情况下，深层海水混合是可能的，并且发生在来自受限于陆地并受到增强蒸发影响的温暖海域的咸水进入较冷的开放海洋水域时。这种现象发生的一个例子是直布罗陀海峡附近，地中海的温暖咸水进入较冷的大西洋。热量比盐扩散得更快，热量比盐的相对更快传递导致咸水比盐扩散得更快地冷却，因此在海洋表面附近变得不稳定。这种咸/冷的水密度更大，会下沉，形成“盐指”，这是一种混合了深层水和表层水的垂直搅动水体。这些区域富含氮气、磷，并且是相当充氧的海洋水体。在地球漫长的历史中，这些区域是生物丰富海洋生命的责任所在，尽管存在一段时间海洋全年没有被冰覆盖。这在犹他州东部的岩石中可以找到一个例子。大约 2.7 亿年前的宾夕法尼亚纪和二叠纪时期，一个陆地受限的海域存在于现在的摩押，这个海域非常咸，但向西北方向通往更大的开放海洋。来自这个海域的咸水的涌入导致了海洋混合良好，尽管当时的气候要温暖得多。这个时代的海洋岩石中发现了大量的化石，以及用于农业肥料的磷的厚层沉积物。
如果地球海洋全年没有被冰覆盖，并且没有来自像地中海这样的陆地受限海域的咸表层水的涌入，那么海洋会迅速变得高度分层。高度分层的海洋意味着深层海水和表层海水永远不会混合，氧气含量仅限于海洋表面。地球上曾经发生过这样的时期，特别是在中生代，恐龙在比现在温暖得多的地球上漫游。这些海洋容易出现缺氧，即氧气的缺乏，导致“死亡区域”，鱼类和其他需要氧气呼吸的动物在那里死亡。墨西哥湾是容易出现缺氧的海洋水域的一个例子。在夏季末的炎热天气里，墨西哥湾的表层水会蒸发，导致咸表层水，这些水会在冬季开始时下沉，但仍然保持无冰。春季，来自密西西比河的大量淡水会漂浮在密度更大的海水之上，导致海洋高度分层。墨西哥湾的深层海水往往缺乏氧气，因为它们无法与表层海水（以及氧气大气）混合，这些深层缺氧水被锁定在墨西哥湾盆地的深处，随着春季淡水的年年涌入以及夏季末温暖的气温下的蒸发而持续存在。
深层海水和表层海水灾难性混合
[edit | edit source]1961 年，詹姆斯·P·肯尼特骑着摩托车，穿越新西兰南岛崎岖的山地，执行着一项特殊的任务——寻找岩石。从小在新西兰惠灵顿长大的肯尼特，就热衷于收集来自新西兰海滩和山脉的岩石、贝壳和化石。18 岁时，他前往大学深造，虽然他在书本中学习了地质学的全部知识，但由于当地学校没有开设这门课程，他渴望在大学里学习更多。大学入学后，18 岁的他开始在地质实验室工作。与生物或化学实验室不同，地质实验室是一个混乱肮脏的地方，岩石在锯子上被切片和切割；装满沉重岩石的箱子在箱子和抽屉里积满了灰尘；实验服和烧杯被岩石研磨机、锤子和凿子所取代。肯尼特对被称为有孔虫的微小海洋化石产生了兴趣，这些化石是通过切片或研磨岩石进行研究的。有孔虫是单细胞生物，它们生活在海底，以从透光层沉下来的有机碎屑为食。它们利用碳酸钙形成保护性外骨骼或外壳（测试）。作为常见的化石，这些微小的化石在海底积累形成厚厚的沉积物，最终形成海洋石灰岩。用于建造吉萨金字塔的石灰岩，实际上就充满了这些单细胞动物的化石。每个岩石样本可以产生数千个这些微小的化石，并揭示关于过去海洋的重要线索，例如温度、盐度、酸度和长期水深。当肯尼特在新西兰蜿蜒的公路上飞驰时，他正在寻找一种任务：收集海洋沉积的岩石，这些岩石跨越了导致南极洲巨大冰盖形成的主要气候转变时期。由于其与南极洲的临近，新西兰成为研究这种气候变化及其对古代海洋岩石的影响的绝佳地点，这些岩石如今已从山脉中侵蚀出来。肯尼特还很年轻，甚至还没有成为研究生，但他在实验室的经历让他以完全不同的视角看待世界。他渴望进行自己的研究，并将时间花在寻找来自不同时期的岩石上，记录中新世晚期南极海冰的扩张。他的热情引起了导师和指导老师的注意，并于 1962-1963 年受邀加入惠灵顿维多利亚大学南极考察队。这次考察的目的是绘制罗斯海以南的冰冻南极洲横断山脉，并收集岩石样本。对于肯尼特来说，这次考察改变了他的生活，但他继续记录着数百万年来海洋的变化是如何导致了南极洲不适宜居住的寒冷气候的，而这种气候是他亲身经历的。1966 年，肯尼特和他的妻子搬到了美国，成为一个新研究领域的先驱——古海洋学，这是一个他为古代海洋研究创造的词语。肯尼特对来自正在进行的近海钻探沉积物岩心的新研究感到兴奋。这些岩石岩心包含了数百万年来微小的有孔虫化石的详细记录，揭开了每个地点海洋的古代记录。
在 20 世纪 70 年代，肯尼特开始与尼古拉斯·沙克尔顿爵士合作，他是南极探险家欧内斯特·沙克尔顿的侄孙。两人都专注于更好地了解南极环极流的发展及其在过去 4000 万年中如何导致南极大陆的冰冻。与肯尼特一样，沙克尔顿也研究了海底沉积物，测量微小有孔虫的氧同位素，以利用哈罗德·尤里在 20 世纪 40 年代开发的科学方法推断过去的海底温度。从南极洲海岸附近获取钻探样本是一项艰巨的任务，但与骑着摩托车环游新西兰时收集的单个岩石样本不同，钻取的岩心揭示了数百万年来沉积在海底的沉积物的更完整记录。在 20 世纪 80 年代，两人都参与了由美国国家科学基金会资助的 JOIDES Resolution 钻探计划，该基金会也为美国政府的南极洲探险提供资金。该钻探计划成功地穿透了数百万年的海底沉积物，提取了岩心，这些岩心揭示了南极洲海岸附近 9000 万年海洋底部沉积的历史。
该团队既渴望了解最近南极洲冰川化的记录，也渴望在海洋岩心中找到代表大型恐龙灭绝时刻的深层。作为有孔虫方面的专家，肯尼特及其同事洛厄尔·斯托特在回收的沉积物岩心中发现了一个有孔虫发生剧烈变化的点。大型健康的有孔虫突然在岩心中消失，取而代之的是几乎没有有孔虫的红色泥土。这一层也不对应于杀死恐龙的灭绝事件，而是发生在数百万年后的古新世末期。沉积物的氧同位素表明，海底在这个时期变得非常温暖。肯尼特和斯托特在 1991 年发表了一篇简短的论文，描述了大约 5600 万年前南极洲附近深海水的灾难性变暖，但很快其他科学家在世界各地的岩石和岩心中观察到相同的特征。在埃及卢克索，从用于建造金字塔的同一块石灰岩中，地质学家观察到岩石中记录的同一灭绝事件，这些岩石的年代为 5600 万年，而在怀俄明州北部，地质学家描述了在同一时期记录在比格霍恩盆地的全球变暖事件，该事件影响了哺乳动物和植物。5600 万年前发生了什么，导致深海水域急剧变暖？这一事件被命名为 PETM（古新世-始新世热最大值）。在肯尼特和斯托特发表论文后的 30 年里，海洋学家已经意识到，存在着深层和表层海水灾难性混合的时期。
理论是这样的：5600 万年前，北冰洋与北大西洋仅有狭窄的连接。气候比今天温暖得多，温暖到北冰洋全年都保持无冰状态，尽管冬季由于北极的高纬度，白天很短，但仍处于黑暗状态。河流会在春季排放到北冰洋，带来淡水。由于气候相对寒冷，考虑到其地理位置，蒸发量很小。每年淡水循环会叠加在较冷的咸水中，导致水体高度分层。今天这种高度分层水体的例子是黑海，但规模要大得多。每年北极都会经历漫长的夏季白天，有充足的阳光供浮游植物进行光合作用，然后是极短的冬季白天，几乎没有阳光。每年这些藻类和其他光合生物的繁殖会在北冰洋分层的深海海底积累。清道夫细菌会将这些有机物转化为甲烷，这些甲烷会被困在冰冷的海底。这是一颗定时炸弹。
大约 5600 万年前，一系列巨大的海底火山爆发在现在的冰岛及其北部北冰洋附近的海底爆发。变暖的深海水域导致这些水域上升，因为暖水密度较低。甲烷在较高温度下也会发生升华。升华是物质从固态直接转变为气态的过程。这种甲烷气体从北冰洋的深海海底冒泡，释放出大量的甲烷进入大气，甲烷是一种强效的温室气体。大气中很快富含二氧化碳，因为甲烷与大气中的氧气发生反应。突然之间，全球气候变得越来越热，海洋进一步变暖。这种失控的全球变暖事件开始使全球海洋酸化，杀死了肯尼特一生研究的大多数小型碳酸盐外壳动物。这种海洋倒置，即深海水域上升到地表，似乎导致了广泛的缺氧（死亡区）、甲烷释放以及海洋生物因海洋酸化而大量灭绝。这种深水倒置事件可能是失控的全球变暖和储存在海底的大量固体甲烷不稳定的结果，通常由大规模火山事件引发。深海水的升温会导致水上升到地表，这会对地球产生深远的影响，时间跨度很短。当今世界海洋的热盐环流阻止了这种情况发生（通过将表层海水向下移动到北大西洋），但许多海洋学家担心最近的人为全球变暖，这会导致另一次海洋倒置，即深层海水上升到地表。就像洛夫克拉夫特的短篇恐怖小说《克苏鲁的呼唤》一样，深海是一个可怕而神秘的地方，在某种意义上，它可以摧毁世界，如果它愿意的话。