地球行星/5e. 深海环流

地球行星
5e. 深海环流

海洋的密度、盐度和温度

密度是指物质每单位体积的质量，或者说物质的紧密度或密集程度。比重是指物质相对于纯水的浮力或沉力，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 的液体则会沉入杯底。海水由于含有盐类和溶解的颗粒，其平均比重在 1.020 到 1.029 之间。海水的密度使用比重计测量，比重计是带有一个标准重量的玻璃管，该标准重量连接到一个刻度，指示重量在液体中下沉的深度。如果你混合海水和淡水，它们很可能会混合在一起，难以判断哪一个浮在另一个上面。液体之间密度差越大，越有可能将它们叠放在一起，将密度较小的液体浮在密度较大的液体上面。但是，如果你试图将密度较大的液体叠放在密度较小的液体上面，它们只会混合在一起。一列不同密度液体的柱被称为分层，地层是指层，所以分层海洋是指根据密度差异划分的海洋。

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，密度越大，但介于 4°C 到 0°C 之间，接近冰点时，水会随着结冰而变得密度更低。

海水密度和盐度之间的梯度称为 盐跃层。在海洋的垂直剖面上，盐度随着深度增加而增加，因为咸水密度更大，会沉入底部。海水密度和温度之间的梯度称为 温跃层。在海洋的垂直剖面上，温度随着深度增加而降低，因为更冷的水（高于 4°C）密度更大，会沉入底部。最密的海洋水是冷而咸的，而最不密的海洋水是热而淡的。密度随着深度的变化梯度被称为 密度跃层。 Pycnos 在古希腊语中意为“浓密”。密度跃层是显示海水密度与深度关系的图表。如果海洋分层成不同密度的层，图表将显示一个斜坡，在每层密度增加处都有一个台阶。但是，如果海洋充分混合，密度跃层将是一条垂直的直线，表示密度随着深度保持一致。

在前面的部分中，表层洋流、上升流和下降流受地转风以及导致浅层海水运动的表面过程的影响。然而，埃克曼的研究还表明，深层海水，深度超过 100 米的海水，将保持流动性较低，不会受到仅作用于海洋表面的这些力的影响。深层海水运动非常缓慢，以至于海洋学家在争论这种深层海水在地球上移动的真实速度。

地球上的深层海水环流是一个缓慢而温和的过程，涉及到海洋大部分总量，是海水密度随着深度变化而产生的动态变化的结果。这些密度变化导致表层海水和深层海水混合。

分层水

地球上的海洋或任何大型水体是如何分层成不同密度的层的呢？

想象一个大型湖泊，它是一个淡水库，周围河流流入其中。夏季晚些时候，流入湖泊的淡水流量从周围河流减少，但在冬季晚些时候和春季早期，由于径流或雨季，流量增加。在夏季，炎热的太阳加热湖泊的顶层，导致蒸发，而下面的水层变得更咸，但仍然温暖。随着时间的推移，这样的湖泊将分层成不同的密度层。在夏季，表层水将变得咸，但更暖，使其能够漂浮在下面的密度更大的水层之上，但是，随着秋季气温下降，咸水的密度会增加。在春季，来自河流的密度较小的淡水流入将漂浮在这个已经存在于湖泊中的咸而冷的水层之上。这增加了密度较小的淡水的新一层，并将水叠加在上面。随着时间的推移，湖泊将严重分层成冷/咸的密集层，仍然存在于湖泊的深处，而暖/淡的密度较小的水层仍然存在于顶部，每次有淡水输入都会如此。

什么过程会导致这两层混合？如果在冬季，湖泊表面覆盖着冰，那么表层水将变得又冷又咸。盐的来源是，当湖泊表面结冰时，冰中不会含有盐，使冰层下方的水层略微咸，并且非常冷。湖泊表面的冰层覆盖会导致这种咸/冷的密集水层覆盖在暖/淡的密度较小的水层之上，这最终会导致表面的水沉入底部，而深层水上升。覆盖着冰的的水体与没有冰覆盖的水体相比，水体混合得更好。结果是，地球寒冷地区的河流比温暖的热带地区的河流分层程度低。另一个可能发生在湖泊中的事件是，如果深层水以某种方式被加热。当火山或岩浆加热底部水层时，就会发生这种情况。当这些密集的深层水被加热时，它们变得密度更低，并上升，这很可能发生在喀麦隆非洲的尼奥斯湖灾难中，当时深层水冒泡，释放出大量的二氧化碳气体，导致许多人死亡。

对全世界不同湖泊密度跃层的测量表明，冬季被冰覆盖的较冷湖泊比保持无冰的较暖湖泊混合得更好。与表层海水混合的相同过程可以应用于整个海洋，但由于世界海洋更加互联，并覆盖整个地球表面，因此更加复杂。海洋学家绘制了年度温度和盐度的差异，以帮助理解这一复杂过程。

整个海洋的年平均表面温度测量结果显示，赤道附近的海水最暖，而两极附近的海水最冷。然而，整个海洋的表面盐度测量结果显示，最咸的表面海水位于大型海洋环流中，例如北大西洋和南大西洋环流，它们是公海中盐度最高的地区之一。这是因为这些海洋区域比较平静，而且位于降雨量较少的干旱地区。赤道附近的ITCZ 会带来大量的雨水，从而限制了赤道附近的蒸发。陆地包围的大片封闭海域，例如地中海和红海，是海洋中盐度最高的地区之一。海洋中盐度最低的地区位于河流向海洋大量注入淡水的地区，特别是东南亚。两极附近的地区也会从融化的冰水中获得淡水。海冰在冬季会扩展到北冰洋和南冰洋的极地地区，对表层和深层海水混合至关重要。如果这些海水因蒸发而变得更咸，则混合作用会增强。在北大西洋，被困在北大西洋环流中的咸的表层海水会随着墨西哥湾流向北推移，一直到格陵兰岛。如果这些咸的暖海水随后冷却并被海冰覆盖，这些海水就会下沉，导致北大西洋的表层和深层海水混合。这推动了所谓的温盐环流，它使深层海水流动。

深层海水的温盐环流

温盐环流动画显示了北大西洋海水下沉的过程，该过程启动了全球深层海水混合的过程。

温盐环流是全球海洋的一种广泛的深层海水循环，尽管海洋学家对这种运动的具体过程存在很大争议。北大西洋是冷咸海水下沉的区域，因为大西洋中的咸水被推向北方，并被海冰覆盖，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的海水，并有助于驱动墨西哥湾流，将更多温暖的咸水向北推移，使其冷却并随后下沉。北大西洋是世界上海水分层最少的地区，因此海水混合良好，富含氧气。

来自格陵兰岛的冰芯记录了1.2万年前的一段时期，这段时期温盐环流可能发生了巨大的变化。这段时期被称为新仙女木事件，因为湖泊沉积物中记录了耐寒的北极山柳的花粉回归，这种植物更喜欢寒冷的气候。在最后一次冰河时期，这种植物在整个北欧和格陵兰岛生长，直到大约1.4万年前，随着气候变暖，这种植物从这些地区消失。然而，这种植物的花粉在大约1.2万年前的湖泊沉积物中再次出现，表明在几百年内出现了寒冷气候的回归，然后再次从这些地区消失。据推测，北大西洋出现这种寒冷气候可能是由于陆地淡水的涌入导致温盐环流发生了改变。这种观点认为，大量的淡水涌入北大西洋，特别是来自拉布拉多海和圣劳伦斯湾，这些海域排泄了覆盖五大湖和加拿大大部分地区的巨大冰盖。这种淡水涌入导致北大西洋分层加剧，导致墨西哥湾流减弱，到达北欧的暖海水减少。这导致寒冷气候盛行，直到巨大冰盖融化结束，此时温盐环流恢复，导致北欧再次出现温暖气候。

温盐环流通常被描绘成一条流动的带子，它涉及到整个世界海洋，但海洋学家们对这种循环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这种翻腾而被拉起来的。这些南大洋海水在12月/1月最温暖，随着气温变暖而上升，被北大西洋拉起，而北大西洋在这些月份是最冷、盐度最高的。在7月/8月，北大西洋海水回到最温暖的水平，而南极洲周围的海水是最冷的，被海冰覆盖。冰间湖形成于南极洲周围的海冰中，这些区域是薄冰与开阔水域混合的区域，比给定温度下的预期要薄，因为这些区域经常含有更咸的海水。这导致冷/咸海水在7月/8月沉入南极洲海岸附近的更深处。就像跷跷板一样，环绕南极洲的深层海水随着季节的变化每年都会上升和下降。这些南极底层水混合良好，富含氧气和氮。

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季节性上升和下降。当深层海水在这些极地地区上升时，它们会向上输送氮，这对在透光层上层生长的浮游植物有益。在夏季，浮游植物会大量繁殖，吸引以浮游植物为食的磷虾和鱼类。这些鱼群和磷虾在富含氧气的冷水中繁衍生息，为迁徙的须鲸提供食物，须鲸利用鲸须过滤水中的磷虾。地球上最大的动物——蓝鲸（Balaenoptera musculus）进化出了利用深层海水环流模式的能力，这些模式源于海洋中大片区域被海冰覆盖。

没有海冰的深层海水混合

地球的海洋曾经经历过没有冰的时期，尤其是在大气中二氧化碳含量丰富的时期。没有海冰形成的深层海水混合是可能的，发生在咸的暖海水从受限的海洋进入更冷的开阔海域时，这些受限的海洋会经历强烈的蒸发。例如，在直布罗陀海峡附近，地中海的咸暖海水流入较冷的大西洋。热量的扩散速度比盐快，热量相对于盐的更快传递导致咸水冷却的速度快于盐的扩散速度，因此在海面附近变得不稳定。这种咸/冷海水密度更大，会下沉，形成“盐指”，它混合了深层和表层海水，垂直搅动海水。这些区域富含氮、磷，而且海水氧气含量也比较高。在地球漫长的历史中，这些区域造就了生物丰富的海洋生物，尽管在某些时期海洋全年都没有冰。一个例子可以在犹他州东部的岩石中找到。在大约2.7亿年前的宾夕法尼亚纪和二叠纪，在现在的摩押存在着一片受限的海洋，它非常咸，但向西北方向通向更大的开阔海洋。来自这片海洋的咸水涌入导致海水混合良好，尽管当时的气候要温暖得多。在这个时代的海相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。

高度分层海洋的危险

如果地球的海洋全年保持无冰状态，并且没有来自地中海等陆地封闭海域的含盐地表水的流入，那么海洋会很快变得高度分层。高度分层的海洋意味着深层海洋水和地表海洋水永远不会混合，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，当时恐龙在比现在温暖得多的地球上漫游。这些海洋容易发生缺氧，即氧气缺失，这会导致“死区”，在那里需要氧气呼吸的鱼类和其他动物会死亡。易受缺氧影响的海洋水域的一个例子是墨西哥湾。在盛夏的炎热时期，墨西哥湾的地表水蒸发，导致含盐地表水沉降，在冬季开始时沉入海底，但仍然保持无冰状态。春季，来自密西西比河的大量淡水流入，漂浮在密度更大的海水之上，导致海洋高度分层。墨西哥湾的深海海水通常缺乏氧气，因为它们无法与地表海水（以及氧气大气）混合，这些深层缺氧海水被锁定在墨西哥湾盆地深处，随着春季淡水的年复一年流入和夏季末的蒸发，水温升高。

深层海水和地表海水的灾难性混合

1961年，詹姆斯·P·肯尼特骑着摩托车穿越新西兰南岛的山区地貌，执行一项任务。他正在寻找岩石。从孩提时代起，肯尼特就住在新西兰惠灵顿，他一直在收集新西兰海滩和山区的岩石、贝壳和化石。18岁时，他去上大学，从书本中学到了关于地质学的所有知识，但由于他所在学校没有开设这门课程，因此他渴望在大学里了解更多。在开始上大学课程后，他从18岁开始就在地质学实验室工作。与生物学或化学实验室不同，地质学实验室是一个脏乱的地方，岩石会在锯子上切割和切片；装满沉重岩石的箱子在箱子和抽屉里积聚着灰尘；实验服和烧杯被岩石研磨机、锤子、凿子取代。

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来研究的。有孔虫是单细胞生物，生活在海底，以从透光层沉下来的有机碎屑为食。它们从碳酸钙中形成保护性的外骨骼或外壳（壳）。作为常见的化石，这些微小的化石在海底积累了厚厚的沉积物，形成了海洋石灰岩。用于建造吉萨金字塔的石灰岩实际上充满了这些单细胞动物的化石。每个岩石样本都可以产生数千个这种微小的化石，并揭示关于过去海洋的重要线索，例如温度、盐度、酸度和水深等，跨越很长的时间。当肯尼特在新西兰蜿蜒的道路上飞驰时，他正在寻找海洋沉积岩，这些岩石位于导致南极洲形成巨大冰盖的主要气候转变时期。由于靠近南极洲，新西兰是研究这种气候变化及其对古代海洋岩石（现在从山区侵蚀出来）的影响的理想之地。肯尼特还年轻，甚至还没有研究生，但他在实验室的经历使他以完全不同的眼光看待世界。他渴望进行自己的研究，并且每天都在寻找来自不同时期的岩石，记录南极海冰在中新世晚期扩张的情况。他的热情引起了他的导师和教师的注意，并邀请他加入惠灵顿维多利亚大学南极探险队，时间是1962-1963年。这次探险的目标是绘制南极横贯山脉（位于罗斯海以南）的地图，并收集岩石样本。对于肯尼特来说，这次探险改变了他的生活，但他继续记录数百万年来海洋的变化如何导致南极洲出现恶劣的寒冷气候，他亲身经历了这一点。1966年，肯尼特和他的妻子搬到了美国，成为一个新兴研究领域的先驱，即古海洋学，这个词是他为研究古代海洋而创造的。肯尼特对来自正在进行的近海钻探沉积物岩芯的新研究感到兴奋。这些岩芯包含了跨越数百万年的微小有孔虫化石的详细记录，揭示了每个地点古代海洋的记录。

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理解南极绕极流的发展及其在过去4000万年里如何导致南极大陆冰冻。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，以推断过去的海底温度，使用的科学方法是由哈罗德·尤里在20世纪40年代开发的。从南极洲海岸附近进行钻探取样是一件很困难的事情，但与在摩托车上绕新西兰旅行时收集的单个岩石样本不同，钻芯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“决心号”钻井计划，该计划由美国国家科学基金会资助，该基金会也为美国政府资助南极探险。钻井计划成功地钻穿了海底数百万年的沉积物，取回了岩芯，这些岩芯将解开南极洲海岸外9000万年海洋沉积的历史。

该团队既想要了解南极洲近期冰川作用的记录，也想要找到海洋岩芯中的深层地层，该地层代表了大型恐龙灭绝的那一刻。作为有孔虫方面的专家，肯尼特和他的同事洛厄尔·斯托特在一个回收的沉积物岩芯中发现了一个点，在那里有孔虫经历了戏剧性的变化。大型健康的有孔虫突然从岩芯中消失，取而代之的是几乎没有有孔虫的红色泥土。这一层也不对应于导致恐龙灭绝的灭绝事件，而是发生在数百万年后的古新世末期。沉积物中的氧同位素表明，海底在那个时期变得非常温暖。肯尼特和斯托特在1991年快速发表了一篇论文，描述了大约5600万年前在南极洲附近发生的深层海水灾难性变暖事件，但不久后，其他科学家在世界各地的岩石和岩芯中观察到了相同的特征。在埃及卢克索，地质学家在用来建造金字塔的相同石灰岩中观察到相同的灭绝事件，这些石灰岩的年代为5600万年，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中的全球变暖事件，影响了哺乳动物和植物。5600万年前发生了什么，导致深层海水急剧变暖。该事件被称为PETM（古新世-始新世热极值）。在肯尼特和斯托特发表论文后的30年里，海洋学家得出了一个惊人的认识，那就是可能存在深层海水和地表海水发生灾难性混合的时期。

理论是这样的：在 5600 万年前，北冰洋仅与北大西洋狭窄地相连。当时的气候比现在温暖得多，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，夜晚很长。河流在春季会流入北冰洋，带来淡水。由于地理位置，气候相对寒冷，蒸发量很小。每年，淡水循环会叠加在较冷的咸水之上，形成高度分层的海洋水体。今天，黑海就是这种高度分层水体的例子，但当时的规模要大得多。每年，北极都会经历漫长的夏季，有充足的阳光供浮游植物进行光合作用，然后是短暂的冬季，几乎没有阳光。每年，这些藻类和其他光合生物的繁殖都会积累在北冰洋分层深海的海底。清除细菌会将这些有机物转化为甲烷，并将其储存在寒冷的海底。这是一个定时炸弹。

大约 5600 万年前，一组巨大的海底火山喷发在现今冰岛周围和向北延伸到北冰洋的海底爆发。深海暖水导致这些水上升，因为暖水密度较低。甲烷在较高温度下也会发生升华。升华是指物质直接从固态转变为气态的过程。这种甲烷气体从北冰洋深海海底冒出，释放出大量的甲烷进入大气，甲烷是一种强效的温室气体。大气中二氧化碳迅速增加，因为甲烷与大气中的氧气发生反应。全球气候突然变得越来越热，海洋也进一步变暖。这种失控的全球变暖事件开始使全球海洋酸化，杀死了肯尼特一生都在研究的大多数小型碳酸盐贝壳动物。

这种海洋倒置现象，即深海水上升到海面，似乎导致了广泛的缺氧（死亡区）、甲烷释放和海洋生物因海洋酸化而大规模灭绝。这种深水倒置事件可能是失控的全球变暖和大量储存在海底的固态甲烷不稳定的结果，通常由大规模火山事件触发。深海水的加热会导致水上升到海面，这会在短时间内对地球产生深远的影响。目前世界海洋的热盐环流阻止了这种情况的发生（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，可能会导致另一场海洋倒置事件，即深海水上升到海面。就像恐怖小说克苏鲁的呼唤一样，深海是一个可怕的神秘地方，它有可能毁灭世界。

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